Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Исследование алгоритмов сжатия, форматов и систем распределенных вычислений 15
1.1 Введение в алгоритмы сжатия данных 15
1.2 Специфика кодовых и фазовых измерений ГНСС
1.2.1 Неучтенные ошибки измерений 18
1.2.2 Неопределенное целое число циклов фазовых измерений 19
1.2.3 Ошибка ухода часов 20
1.2.4 Длина битового слова «сырых» измерений 20
1.3 Алгоритмы сжатия данных ГНСС 21
1.3.1 Коррекция измерений (поправка) 22
1.3.2 Разностные измерения 23
1.3.3 Модуль измерения 24
1.4 Форматы представления данных ГНСС 24
1.4.1 RTCM2 ;...;; 26
1.4.2 RTCM3 27
1.4.3 RINEX 29
1.4.4 NMEA 1.5 Системы передачи данных ГНСС 32
1.6 Передача данных в IP сетях 33
1.7 NTRIP - протокол передачи данных ГНСС 34
1.8 Системы распределенных вычислений 38
1.9 Заключение по главе 1 40
Глава 2. Разработка алгоритмов сжатия 42
2.1 Прореживание измерений 42
2.2 Алгоритм «грубый-точный» 43
2.3 Фракциональная фаза..
2.3.1 Пример без учета часов 47
2.3.2 Пример с учетом ошибки часов 49
2.3.3 Ошибки восстановления 51
2.3.4 Особенности фракциональной фазы
2.4 Теоретический предел сжатия «сырых» измерений 58
2.5 Вероятностное сжатие нормального процесса 60
2.6 Эффективность разработанных методов сжатия 62
2.7 Метод проверки разработанных алгоритмов сжатия 63
2.8 Заключение к главе 2 65
Глава 3. Инженерный синтез формата АТОМ 67
3.1 Организация АТОМ 68
3.2 Сообщения COR,MES,RNX,BAS 69
3.2.1 MES 70 3.2.2 RNX 70
3.2.3 Маска спутников и сигналов 72
3.2.4 PVT 76
3.2.5 ATR 77
3.2.6 NAV 78
3.2.7 DAT
3.3 Командный интерфейс 80
3.4 Заключение по главе 3 82
Глава 4. Распределенные вычисления 83
4.1 Виртуальный приемник 85
4.2 Программа AGILE 87
4.3 Концепция GALOSH 89
4.4 Программа RETRIEVE 90
4.5 PC версия виртуального приемника
4.5.1 Сверка результатов работы ВП и реального приемника 94
4.5.2 Поиск и исправление ошибок в ПО приемника 95
4.5.3 Разработка новой функциональности 96
4.5.4 «Регрессионное» тесіпрование ПО приемника 96
4.6 Заключение по главе 4 98
Заключение 99
Практическая ценность работы 100
Выводы по поставленным задачам
- Неопределенное целое число циклов фазовых измерений
- Пример без учета часов
- Маска спутников и сигналов
- Разработка новой функциональности
Введение к работе
Работа посвящена исследованию методов повышения эффективности передачи и хранения информации в связных сетях, входящих в состав глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС), и снижению затрат при производстве приемников ГНСС за счет перераспределения через связные радиолинии части сложных вычислительных задач между приемником и удаленным вычислителем.
Актуальность работы
В последние годы изменилась общая структура ГНСС. В ее состав вошел новый сегмент в виде телекоммуникационных сетей. Если раньше приемники отдельных потребителей практически независимо работали с навигационными спутниками, то в настоящее время приемник ГНСС стал одним из узлов телекоммуникационной (навигационной) сети.
В общем случае, такая сеть состоит из трех ключевых элементов и системы передачи данных между ними:
Сеть стационарных базовых приемников (далее базы), производящих измерения сигналов ГНСС.
Центр обработки измерений базовых приемников, вычисляющий корректирующую информацию.
Приемники потребителей (далее роверы), использующих корректирующую информацию для увеличения точности и надежности определения позиции.
Ниже приведены несколько примеров навигационных систем: 1. Система дифференциальной навигации используется для повышения точности работы ровера. В такой системе через связные радиолинии роверу передаются псевдодальностные (далее кодовые) и псевдофазовые (далее фазовые) измерения базового приемника (далее эти измерения будут называться «сырыми»).
2. Системы IGS (International GNSS Service = Международный сервис ГНСС) используются для сбора и высокоточного анализа ошибок измерений и параметров движения Земли, а также для прогноза движения спутников навигационных систем. В таких системах хранится большой объем «сырых» измерений более 200 базовых приемников.
Связные системы передачи данных, используемые в навигационных системах, часто имеют ограничения на скорость передачи данных, например, 600[бит/сек]. С развитием пакетных служб передачи данных, таких как GPRS (General Packet Radio Service = Пакетная Радиосвязь Общего Пользования) основным ограничением является не скорость, а объем передаваемой информации, где потребитель платит пропорционально объему полученных/переданных данных. Разработка новых алгоритмов сжатия информации передаваемой в навигационных сетях, в частности, «сырых» измерений, позволит более эффективно использовать существующие связные системы и центры хранения информации ГНСС.
Исторически сложились два режима высокоточной дифференциальной навигации: режим реального времени - RTK (Real Time Kinematic = Кинематика Реального Времени) и режим постобработки. Ключевой особенностью RTK было наличие связных систем для передачи корректирующей информации. Несмотря на общность цели, каждый из этих режимов заложил собственные технологии обработки информации, форматы входных и выходных данных. Однако в процессе широкого развития и значительного удешевления систем передачи данных наблюдается тенденция к сближению этих технологий и ключевым моментом является создание универсального формата «сырых» измерений (входных данных).
Для увеличения точности позиционирования ровер использует дополнительную корректирующую информацию, получаемую через связные радиолинии. Совместная обработка собственных «сырых» измерений и корректирующей информации требует существенных вычислительных за-
трат (особенно режимы дифференциальной навигации с разрешением фазовых неоднозначностей) и специального программного обеспечения (ПО). Эти требования существенно увеличивают стоимость приемника и его массогабаритные характеристики. Развитие интернет технологий и мобильных систем связи позволяет по новому взглянуть на процесс получения высокоточного решения и предложить процесс вторичной обработки не как ПО приемника, а как web-сервис.
В такой системе первичная обработка будет осуществляться на дешевом сенсоре ГНСС, а вторичная - на мощном удаленном вычислителе. Смартфон или удаленный компьютер, выполняющий роль вычислителя, получает «сырые» измерения базы и ровера и производит все расчеты необходимые пользователю. Для вторичной обработки удаленному вычислителю необходимо передавать не только «сырые» измерения от ровера, но и навигационную (эфемериды, SBAS коррекции) и атрибутивную информацию (имя приемника и антенны, измерения дополнительных сенсоров).
Полученная вычислителем позиционная информация выдается непосредственно пользователю (на экране смартфона) или передается по линиям связи обратно на сенсор ГНСС.
Для минимизации стоимости эксплуатации линий связи в распределенных системах вычислений ГНСС необходимо создать формат компактного представления данных, включающий в себя измерительную, навигационную, атрибутивную и позиционную информацию ГНСС.
Цель и задачи работы
Цель данной работы - исследование и разработка методов позволяющих повысить эффективность телекоммуникационных сетей с учетом специфических условий их использования в составе систем спутниковой навигации.
В результате исследования были сформулированы следующие основные задачи.
1. Повысить эффективность передачи и хранения «сырых» измере
ний ГНСС в связных сетях.
a. Разработать более эффективные алгоритмы сжатия «сырых»
измерений.
b. Разработать более эффективную структуру следования данных
ГНСС.
Создать протокол, оптимизированный для передачи данных через связные радиолинии при работе в дифференциальных системах, системах распределенных вычислений и системах хранения и анализа измерений ГНСС.
Создать систему распределенных вычислений ГНСС в реальном времени, когда часть данных для обработки передается по связным радиолиниям между сенсором ГНСС и удаленным вычислителем.
Достоверность и обоснованность результатов
Научная достоверность полученных результатов обеспечивается: Использованием адекватного теоретического аппарата математической статистики и теории вероятности, результатами имитационного моделирования, подтверждением теоретических выкладок натурными экспериментами, использованием результатов работы в коммерческих продуктах фирмы Ashtech, использованием результатов работы в разработке новых международных стандартов (RTCM) и положительной оценкой предлагаемых методов, доложенных на международных конференциях ION.
Положения, выносимые на защиту
1. Пропускная способность связных радиолиний, предназначенных для передачи фазовых дифференциальных поправок, может быть повыше-
на в 2.5 раза, если с тактовой частотой не менее 0.2[Гц] вместо полного фазового измерения передавать только его фракциональную часть.
Разработанный протокол АТОМ обладает в 3.3 раза большей эффективностью сжатия, чем известный формат RTCM3 и позволяет работать со связным радиолиниями с пропускной способностью 600[бит/сек] в двухчастотном GPS+ГЛОНАСС RTK режиме. Практическая реализация 1-го и 2-го положения показала, что один из главных показателей качества RTK системы - время разрешения фазовых неоднозначностей, в первом приближении не ухудшится, а с учетом практической реализации, ухудшается не более чем на 1 %.
Разработанный протокол АТОМ минимизирует объем передаваемой информации по связным радиолиниям при работе в системах распределенных вычислений, адаптируется к новым системам ГНСС и их сигналам, применяется в аппаратуре фирмы «Ashtech» и принят международным комитетом RTCM для использования при создании новых стандартов.
Реализованный сервис распределенных вычислений - RETRIEVE позволяет создавать более простую и дешевую приемную аппаратуру потребителей ГНСС за счет передачи по связным радиолиниям наиболее трудоемкой части вторичной обработки на центральный сервер.
Научная новизна
1. Алгоритм «грубый-точный». Предлагается новый алгоритм представления навигационных измерений, предназначенных для передачи по радиолиниям телекоммуникационной сети, в виде двух составляющих: грубой части, общей для всех сигналов данного спутника, и точной части, специфичной для каждого сигнала. Такое представление, в отличие от разностного представления, используемого в формате RTCM3, позволяет производить эффективное сжатие путем прореживания данных.
Маска спутников и сигналов. Разработан новый способ представления информации о спутниках и сигналах в виде масок. Маска представляет собой универсальную таблицу, в которой в определенном порядке проставлены двоичные символы, указывающие номера спутников и виды сигналов. Предложенный способ позволяет передавать по связным радиолиниям произвольный набор измерений в одном сообщении. Использование номенклатуры идентификации сигналов, принятой в RINEX протоколе, позволило создать универсальный формат «сырых» измерений как для работы в реальном времени, так и для постобработки данных.
Фракционалъная фаза. В диссертации разработан метод передачи информации, учитывающий специфику фазовых измерений и позволяющий восстанавливать полную фазу из ее фракциональной части. Предложенный метод позволяет производить сжатие фазовых измерений в 2.5 раза более эффективно {8[бит] вместо 2<д[бит] при той же точности), чем в RTCM3 протоколе.
Удаленная вторичная обработка данных: Предлагается новый вид web-сервиса, когда вторичная обработка данных ГНСС является не частью программного обеспечения навигационного приемника, а выполняется на удаленном сервере.
Практическая ценность работы
Разработан компактный формат данных ГНСС (АТОМ - AshTech Optimized Messaging), для записи «сырых» измерений, передачи по связным радиолиниям дифференциальных поправок, результатов позиционирования, атрибутивной и навигационной информации;
Разработаны и статистически достоверно проверены алгоритмы сжатия «сырых» измерений для их передачи в низкоскоростных радиолиниях (< 600 [бит/сек]);
Предложенные алгоритмы универсального представления данных ГНСС приняты международным комитетом RTCM для использования при разработке новых стандартов;
Показана экономическая эффективность системы распределенных вычислений и конкретные решения на ее основе.
Реализация результатов
Разработан и реализован формат АТОМ в ПО приемников фирмы Ashtech. Формат активно используется при работе в стандартных RTK режимах, специфических RTK режимах с подвижной базой, при записи «сырых» измерений, при работе с системами удаленной вторичной обработкой данных и для мониторинга работы приемника Ashtech.
Разработанные алгоритмы компактного и универсального представления данных ГНСС используются в протоколе АТОМ. Разработанный алгоритм универсального представления данных в виде масок спутников и сигналов принят международным комитетом RTCM для использования при разработке новых стандартов;
Созданы и испытаны сервисы распределенных вычислений ГНСС, где вторичная обработка происходит на смартфоне и удаленном сервере.
Апробация работы
Материалы исследования, основные идеи и положения диссертации представлены автором на:
Научных конференциях ION 2007, 2008, 2009.
Заседаниях международного комитета по стандартизации дифференциальных сообщений (RTCM).
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из 4-х глав, введения, заключения и 3-х приложений. Диссертация содержит 117 страниц текста, 20 таблиц, 16 рисунков.
Неопределенное целое число циклов фазовых измерений
В существующих алгоритмах сжатие происходит за счет уменьшения диапазона кодовых и фазовых измерений, а для их восстановления используется дополнительная априорная информация. Одним из способов более эффективного сжатия могло бы стать уменьшение диапазона ошибок измерений за счет использования моделей (Клобушара, Хопфилда и т.д.). Однако такой способ не приветствуется: если при восстановлении будет использоваться другая модель (или ее параметры), это может привести к существенным ошибкам.
В таблице ниже рассчитывается коэффициент сжатия для различных алгоритмов сжатия. При подсчете используются только кодовые и фазовые измерения и количество сигналов
Этот алгоритм использует свойство высокой предсказуемости измерений. Сжатие измерений происходит за счет представления их в виде коррекций, имеющих меньший диапазон. Коррекция измерений (pd и yd) равна разности измерения и расчетной дальности. Базовый приемник, зная свои координаты X (посчитанные или введенные может определить расчетную дальность D до спутника на момент излучения сигнала и вычесть из измерения. Целое число длин волн N в фазовом измерении подбирается так, чтобы фазовое измерение в момент инициализации было максимально близким к расчетной дальности. pd = p-D = I + 0 + T + t + i7p фс1 = ф-П/Л = -А1 + АО + АТ+1 + А/, АО, AT - приращение ошибок за время непрерывного слежения.
На ровере для восстановления измерения из коррекции необходимо значение позиции базового приемника, для которого она была вычислена. Восстановление происходит путем итеративного решения уравнения (1.7) с начальным приближением D = 20-106[м].
При расчете коррекций г.югут использоваться разные эфемериды. Для однозначного восстановления измерений на ровере необходимо использовать те же эфемериды, что использовались при получении коррекции на базе. Следовательно, дополнительно с коррекцией необходимо передавать идентификатор эфемерид (IODE - 8 [бит]), в результате, степень сжатия уменьшается. Другим недостатком является существенные вычислительные затраты, необходимые для восстановления измерений из коррекции. т/Ч \f
Диапазон коррекции не превышает ±300[м] (15 [бит]) для кодовых измерений и ±2048 [ц] (20 [бит]) для фазовых измерений. Динамика коррекции определяются в большей степени часами. В момент смены эфемерид коррекция испытывает скачок, который может достигать несколько метров.
Алгоритм коррекции используется в протоколе RTCM2.3 в сообщениях 1/9 (кодовые DGPS коррекции) и 20+21 (фазовые и кодовые RTK коррекции).
Этот алгоритм использует свойство сильной корреляции между измерениями одного спутника. При сжатии передается одно опорное измерение спутника, например, код первой частоты рх (31 [бит]), а остальные - как разность от него. Полученные разности имеют меньший диапазон, за счет чего и происходит сжатие измерений. Из (1.2) с учетом (1.3) получим: р1 - \фх = р& = 2Д/, + т/р, - ](Л + ДЧі0 Р\-Рг=Р\Рг=к !- 2 ±ЛР \-ЛрЛ О-8) р1-Я2ф2=ріф2-.л21 \ + г2 + ,,- ,2+ 0 А/, - приращение ионосферной ошибки за время непрерывного слежения. r-f2/fi 0.78 - отношение несущих частот. Для разностных кодовых измерений {р{р2) диапазон пропорционален полной величине ионосферной ошибки, и не превышает ±150[м](14 [бит]). Для разностных фазовых измерений (/эд, /?, р2) диапазон пропорционален приращению удвоенной ионосферной ошибки с момента инициализации. На практике это значение не превышает ±250[м](20 [бит]).
Динамика разностных измерений определяется шумами кодовых измерений. Производная разностных фазовых измерений может испытывать скачки во время срыва слежения.
Сжатие сырых измерений путем представления их в разностном виде используется в форматах RTCM3 и CMR. Использование опорного измерения не всегда является оправданным. Во-первых, все измерения становятся зависимыми от него. В случае его неисправности или отсутствия все остальные измерения будут также неисправны. Во-вторых, при использовании кодового измерения в качестве опорного пропадает возможность его прореживания (см 2.1 Прореживание измерений.).
Этот алгоритм использует свойство высокой предсказуемости измерений. Сжатие информации происходит за счет передачи не всего измерения Mh а лишь его части т„ взятого по модулю К от М{. В случае если известно прогнозное значение измеряемой величины М, с точностью не хуже чем К/2, то возможно однозначно восстановить М1 из значения /и,-.
Для уменьшения величины К (и как следствие, большего сжатия данных) необходимо максимально точно вычислять априорную оценку М,.
Передача по модулю наиболее часто применяется к коду/?/. При восстановлении полных измерений значение расчетной дальности используется как априорная оценка. В форматах RTCM3 и CMR, величина модуля взята с запасом и составляет 1 [мс] (24 [бит]), хотя может быть сокращена без опасений до 600 [м].
Пример без учета часов
Рассмотрим измерение, обозначенное красным кругом. Его значение очень близко KN7I[MC]+0.1[M]= 21285264,618[М]. С другой стороны, расчетная дальность находится почти в середине {-0.05[м]) последнего интервала (k9i4-k0), который, в отличие от остальных, имеет диапазон 292.938[м]. Итого, абсолют ное расстояние между расчетной дальностью и измерением может достигать 146.5[м], что не противоречит начальным условиям. Однако, когда будет пере даваться только «точное» измерение {0.1 [м]), оно будет восстанавливаться по априорным значением расчетной дальности и в результате будет получена ано мальная ошибка, равная 292.938[м] или 327.68[м] (в зависимости от рабочего интервала). „ю Q
Для преодоления этого недостатка предлагается использовать другой подход. «Грубая» часть передается с разрешением 1/1024[мс](10[бит]). Вместо «точной» части, дополняющей «грубое» измерение до полного, передается измерение по модулю 655.34[м](15[бит]) для кода и 4096[ц](20[бит]) для фазы.
Восстановлении неполных измерений только по «точной» части может быть осуществлено, если известна расчетная дальность. Если априорной информации нет, тогда полное измерение также может быть восстановлено из «общей» и «точной» части. Для этого необходимо совмещать две разные шкалы. 2.3 Фракциональная фаза
При работе в дифференциальном режиме со статическим базовым приемником, расположенным в хороших условиях приема сигнала, возможно обеспечить RTK режим, передавая фазовые измерения (или коррекции) по модулю одного цикла (или 8[бит], при разрешении 1/256 /г/У). При этом характеристики RTK системы изменяться незначительно.
Термин полная фаза и фракциональная фаза в зависимости от рассматриваемого примера может относиться как к фазовым измерениям, так и к их коррекциям.
Для объяснения алгоритма восстановления фракциональной фазы рассмотрим несколько идеализированный пример коррекции фазы (в дальнейшем фазы) для одного измерения (Рисунок 2.3/1). В этом примере будем предполагать, что ошибка часов отсутствует: (pd = (p-DIЛ = (-1 + 0+Т)/X + N+TIV [ц] (2.7) Динамика фазы определяется приращением основных ошибок измерений (ионосферных, тропосферных, орбитальных и шумов измерения), скорость которых ограничена и не превышает в сумме 0.1[ц/с]. А = (-А/ + АО + АГ)/Я + А77 , (2.8) При условии, что приращение полной фазы A(pd Q.5[i{\, оно тождественно равно циклическому приращению (Рисунок 2.3/3) соответствующих фрак-циональных фаз А/г с . Afrc = A pd (2.9) Восстановленная фаза (Рисунок 2.3/4) получается путем интегрирования приращения фракциональной фазы Afrc, приведенной к интервалу [-0.5 0.5] [ц]. Ошибка восстановления будет постоянной целой неизменной величиной, равной начальному значению полной фазы (Рисунок 2.3/5).
При работе в RTK начальное значение фазы не имеет значение, и, следовательно, фракциональное представление не изменит характеристики работы RTK системы. Для избегания цикловых скачков восстановленной фазы необходимо, чтобы приращение ошибок не превышало Apd 0.5[ц], как следствие, интервал следования фракциональной фазы не должен превышать 5[сек]. Алгоритм
Эпюры на Рисунок 2.3 -демонстрируют основные шаги восстановления. На Рисунок 2.3/1 приведен пример полной фазы, а на Рисунок 2.3/2 - соответствующая ей фракциональная фаза. Процесс восстановления полной фазы (cpd) из ее фракциональной части (frc) состоит из нескольких этапов. В начальный момент 1=0 восстановленное значение равно фракциональной части. % = frcQ (2-10) 1. Делается прогноз поляоп фазы на і-ую эпоху pt. В простейшем случае он равен предыдущему значению (р t. 2. Рассчитывается ошибка прогнозаД/гсв пределах цикла, равная разности прогнозного и фактического значения фазы (Рисунок 2.3/3). Afrc = [ср, - frct ] mod 1 (2-12) 3. В случае если ошибку повышает порог {0.5[ц]), делается поправка. если Afro 0.5; Д/rc = Л/rc -1 если Д/rc -0.5; hfrc=Afrc + \ (2.13) 4. Восстановленное значение (Рисунок 2.3/4) на і-ую эпоху равно: (p = p-Afrc (2.14) 5. Возращение к пункту 2. На рис Рисунок 2.3/6 показана ошибка восстановления фракциональной фазы. Рисунок 2.3 Восстановление фракциональной фазы 1. Полная фаза [ц] О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 2. Фракциональная фаэа[ц] ../.. \. у \/ / V 0 10 20 3D 40 50 60 70 80 90 100 3. Производная фракциональной фазы[ц] і і СЕ Q 10 20 30 40 50 60 70 ВО 90 100 4. Восстановленная фаза из фракциональной части[ц] 10 20 30 40 SO 60 70 60 90 100 5. Ошибка восстэновления[ц] О 10 20 30 40 50 60 70 ВО 90 100 2.3.2 Пример с учетом ошибки часов. Теория В реальных измерениях всегда присутствует ошибка часов, одинаковая для всех спутников. Ее величина и динамика могут изменяться в широких пределах. pd = p-D/X = (-I + 0 + T + t)/Z + N + j9, (2.15)
Приращение полной фазы в этом случае может быть произвольно большой величиной за счет непредсказуемого большого приращения часов ЛҐ (Рисунок 2.4/1). A(pd = (-AI + AO + AT + At)/X + A7](p (2.16) Чтобы свести задачу к предыдущей, необходимо правильно оценить приращение часов Dt. Для оценки предположим, что приращение основных ошибок (ионосферных, тропосферных, орбитальных и шумов измерения) мало и есть случайная величина с нулевым математическим ожиданием. В этом случае, приращение часов может быть оценено в пределах цикла усреднением Dfrc по всем спутникам (Рисунок 2.4/3). AtJj Afrcj/N (2.17) Ошибка восстановления фракциональной фазы (Рисунок 2.4/5) будет зависеть от часов и точности их оценки. Вычитание из каждой ошибки ее начального значения, приведет к тому, что ошибка восстановления для всех спутников будет одинакова (Рисунок 2.4/6) на данной эпохе. Она компенсируется при взятии вторых разностей и не повлияет на работу RTK системы. Алгоритм
Эпюры на Рисунок 2.4 демонстрируют основные шаги восстановления. На Рисунок 2.4/1 приведен пример полной фазы сигнала L1CA для 3-ех спутников, а на Рисунок 2.4/2 - соответствующие им фракциональные фазы. Алгоритм восстановления фракциональной фазы отличается от рассмотренного выше добавлением двух пунктов:
Маска спутников и сигналов
АТОМ - (AshTech Transmission Optimized Mechanism [рус: Механизм Оптимизированной Передачи данных Ashtech]) коммерческий открытый формат, разработанный фирмой Ashtech для представления широкого спектра данных, связанных с работой приемника ГНСС. Официальная версия документа находится на сайте www.ashtech.com.
АТОМ поддерживается различным программным обеспечением (ПО) фирмы Ashtech, начиная от ПО приемников и заканчивая ПО постобработки. АТОМ используется для решения широкого круга задач, среди которых можно отметить: Запись сырых измерений; Передача дифференциальных данных; Взаимодействие ГНСС приемника с другими системами; Реализация специфичных режимов и сервисов для работы ГНСС приемника; Запись отладочной информации о работе приемника. АТОМ - активно развивающийся открытый формат данных, охватывающий огромное количество данных, насчитывающий более двадцати редакций. АТОМ обеспечивает максимальную совместимость с передовыми продуктами, программным обеспечением и сервисами фирмы Ashtech, а таюке с другими широко распространенными протоколами, такими как: RTCM, RTNEX, NMEA. АТОМ - это компактный протокол. Он использует битовое уплотнение данных, продуманную, унифицированную структуру и эффективные алгоритмы сжатия данных ГНСС, описанных в главе 2. АТОМ - это гибкий протокол, который легко настроить под конкретную задачу потребителя, используя простой командный интерфейс (КИ). спеч 3.1 Организация ATOM В качестве транспорїного уровня АТОМ использует широко распространенный формат RTCM3. Таблица 3.1 Транспортный уровень RTCM3 Преамбула Резерв Длина сообщения Бинарное сообщение произвольнойдлины CRC 8 бит 6 бит 10 бит АТОМ формат 24 бит 11010011 000000 Длина в байтах 0-1023 байт CRC-24Q(QUALCOMM) АТОМ структурирует данные по группам. В ИКД АТОМ версии 1.19 оп гно- ределяется 10 различных групп данных. В данной главе будут коротко рассмотрены 4 из них. Таблица 3.2 Сообщения АТОМ Тип группы Название- сообщения Аналоги RTK коррекции 4095,1 mniATOM,COR RTCM-2 20,21,24 ГНСС измерения 4095,2 или ATOM,MES RTCM-3 1001-1006, 1009-1012 Позиционные результаты 4095Л или ATOM,PVT NMEA-3 GGA, GST,GSVetc Атрибуты приемника 4095,4 или ATOM,ATR RTCM-3 1007-1008, 1029, 1033 Навигационная информация 4095,5 или ATOM,NAV RTCM-3 1019, 1020 Фреймовые данные 4095,6 или ATOM,DAT N/A ГНСС измерения 4095,7 или ATOM,RNX RINEX-3.0 RTK коррекции 4095,8 или ATOM,BAS RTCM-2 20,21,24 Данные о событиях 4095,13 или ATOM,EVT N/A
Данные о состоянииработы приемника 4095,14 или ATOM,STA N/A Некоторые сообщения (MES,PVT,RNX,BAS) могут передать все данные группы в одном сообщении. Они представляют собой набор блоков данных, частота и представление которых может меняться во времени.
Эти сообщения содержат информацию о «сырых» измерениях приемника (кодовые, фазовые, доплеровские измерения и другие вспомогательные атрибуты и флаги), записанную в разных формах. Остановимся только на сообщении
Структура сообщения ATM,MES во многом схожа со структурой протокола RTCM3. В заголовке сообщения определяется общая информация и те ГНСС, для которых будут передаваться данные. Затем для каждой ГНСС в заголовке определяется количество спутников и сигналов для которых будет передаваться «сырые» измерения. После передается информация о первом спутнике, далее информация по сигналам, далее информация о втором спутнике и т.д. Такую структуру будем называть структуру с внутренними циклами. В сообщении ATM,MES реализованы некоторые алгоритмы сжатия, описанные в главе 2, в частности, концепция «грубый-точный».
Фракциональные фаза. ATM,RNX активно используется в разных режимах работы приемника, начиная от работы в низкоскоростных радиолиниях, заканчивая записью наиболее полного набора «сырых» измерений для постобработки данных. Для выбора конкретного режима используются предустановленные сценарии (см Приложение Б).
В ATOM,RNX вводится важное понятие: маска номеров спутников и сигналов. Использование маски для записи номеров спутника уже удачно использовалось в других протоколах, таких как RTCM 2(59-FKP) и SBAS. Однако одновременное использование маски для номеров спутников и сигналов является нововведением.
Маска спутников - это последовательность из 40 бит. Единицы в ней соответствуют номерам спутников, для которых приемник следит хотя бы за одним сигналом. Маска сигналов - это последовательность из 24 бит. Единицы в ней соответствуют тем сиг-юл , за которыми приемник следит хотя бы по одному спутнику.
В таблице ниже ставится соответствие между ATM,RNX номером сигнала и его обозначением в RINEX формате. Серым цветом выделены сигналы, существующие в настоящее время.
Под сигналом подразумевается не только физические характеристики сигнала, такие как частота, тип модуляции и т.д., но и способы слежения за ним. Более подробную информацию о RINEX обозначении сигналов можно найти в стандарте RINEX 3.
Разработка новой функциональности
Классический способ поиска и исправления ошибок в ПО приемника, как правило, происходит по следующему сценарию. 1. Есть проблема и соответствующий ей ATL файл. 2. Инженер пытается с помощью теоретических рассуждений и анализа данных ATL файла определить в каком месте произошла ошибка и исправить ее. 3. Если не удался пункт 2, то начинается практический этап: в программный код ставится отладочная печать. При повторении проблемы отладочная печать позволяет более детально определить место, где была допущена ошибка и исправить ее.
Минусом такого подхода являются большие временные затраты при поиске и фиксации ошибок, особенно если проблема проявляется редко.
Имея высокую степень соответствия с реальным навигационным приемником, ВП может использоваться для решения этой задачи. ВП имеет ряд преимуществ, определяющих его эффективность: 1. Имея ATL файл, у инженера есть возможность повторить работу приемника в различных режимах и посмотреть, как это влияет на проблему. 2. Используя специальные среды разработки (Visual Studio) есть возможность остановить программу в любом месте и посмотреть промежуточные результаты. К сожалению ВП не всегда эффективен при поиске ошибок, особенно тех, которые приводят к зависанию реального приемника. В этом случае перестают выдаваться «сырые» измерения и ВП прекращает работу. Разработку новой функциональности приемника ГНСС значительно эффективней производить в PC версии, т.к. 1. Используется более удобная среда разработки (Visual Studio), с возможностью трассировки результатов; 2. Быстрое получение результатов (нет необходимости прогружать каждый раз в приемник новое ПО) и статистики работы; 3. Нет ограничений на ресурсы (память, процессор); 4. Возможность работы с данными, недоступными в настоящий момент в навигационном приемнике (например, инерциальные датчики, OmniStar1 коррекции).
В идеале разработка новой функциональности должна лишь улучшать характеристики навигационного приемника. Однако часто из-за невнимательности разработчика, сложности и сильной взаимосвязи различных модулей в ПО приемника, добавление/исправление одной функциональности приводит к ухудшению работы другой функциональности. Основная цель регрессионного тестирования как раз заключается в поиске таких ситуаций и их скорейшего восстановления. Регрессионное тестирование » тестирование навигационного приемника осложняется дв; .мя. факторами. 1. Режимом реального времени. Должно быть произведено огромное количество тестов (чем больше, тем более эффективное тестирование) в реальном времени и это требует больших временных затрат; 2. Неповторимостью результатов. Результаты работы навигационного приемника всегда различаются (из-за разницы времени) и поэтому их невозможно эффективно сравнивать. С использованием программы (gnsspc.exe) построена система автоматического контроля ПО. Принцип с работы заключается в следующем: 1. Имеется набор ATL файлов, учитывающие разные сценарии работы навигационного приемника и его местоположение: режимы LI, L1+L2, GPS, GPS+ГЛОНАСС, затененные области, высокая динамика, короткие и длинные базовые линии, тяжелые метеорологические условия, сильные и слабые ионосферные воздействия и т.д. С течением времени набор ATL файлов постоянно пополняется. 2. Имеется набор скриптов, способных выполнять обработку результатов работы приемника и ставить в соответствие им некоторое число. Примером может быть, время до первой фиксации позиции/неоднозначностей, время обработки файла, СКО позиции (при статических тестах). В процессе развития ПО и добавления новой функциональности число скриптов увеличивается. 3. В момент создания новой версии ПО приемника создается идентичная ему PC версия (gnsspc.exe). Эта программа обрабатывает все имеющиеся в наличии ATL файлы, а результаты работы обрабатываются скриптами. Полученные числовые значения сравниваются с заданными - полученными от прошлой версии ПО. Если разница выходит за установленный диапазон, то происходит оповещение разработчика, и он устраняет негативные последствия.
Разработанная система автоматического контроля позволяет эффективно и быстро контролировать развитие ПО, обеспечивает проверку обратной совместимости и контролирует отсутствие привнесения негативных эффектов при добавлении новой функциональности.
