Мониторинг транспорта в Москве от разработки и монтажа систем до аналитики
Пн-Пт 9.00-18.00

Тестирование GPS модулей

Данная статья написана по результатам тестирования различных моделей GPS модулей в компании Форт-Телеком. Статья отражает подход компании при выборе компонентов для разработки и производства своей продукции.

1. Цель тестирования.

На рынке электронных компонентов имеется большое количество встраиваемых GPS модулей, отличающихся техническими характеристиками, функциональными возможностями, а так же ценой. Однако, выбор конкретной модели GPS модуля при проектировании нового устройства часто оказывается нетривиальной задачей, так как совокупность хороших технических характеристик, заявленных производителем в документации, не всегда гарантирует качественную работу модуля. Особенно важным правильный выбор GPS модуля становится при проектировании устройств мониторинга транспорта, от него зависит точность отображения текущего положения объекта, его маршрутов движения, корректность расчета пробега и т.п.

Целью данного тестирования стало изучение технических характеристик и реальных эксплуатационных показателей различных GPS модулей, представленных на рынке. Результаты данного исследования были использованы при проектировании новых моделей устройств мониторинга транспорта, проводимых в нашей компании.

При тестировании использовались следующие GPS модули:

  • Locosys AC-1513
  • Locosys UC-1513
  • Locosys SC-1513
  • Locosys MС-1513-96
  • Ublox LEA-6M

2. Обзор технических характеристик тестируемых модулей.

Рассмотрим технические характеристики тестируемых GPS модулей, заявленные производителями в документации.

Определяющей характеристикой любого GPS модуля является модель чипсета, на котором он реализован. Именно чипсет, встроенный в модуль, определяет его вычислительные способности. В мире не так много производителей GPS чипсетов и практически все основные их модели представлены в нашем тестировании. Далее мы будем сравнивать не конкретные модели GPS модулей, а именно чипсеты, на которых они сделаны. Помимо чипсета в GPS модуль интегрируются схемы управления электропитанием, усилители сигналов, фильтры и т.п. Чтобы минимизировать влияние на результаты теста качества реализации этих компонентов, мы постарались выбрать GPS модули одного производителя – Locosys (за исключением U-blox LEA-6M).

Рассмотрим остальные параметры GPS модулей. Номинальное потреблениеэлектроэнергии модулем в рабочем режиме является важным при реализации устройств с автономным питанием от аккумулятора или батарейки. Чувствительность при холодном старте определяет способность модуля уловить сигнал в процессе поиска спутников, чувствительность в рабочем режиме - способность принимать слабый сигнал в процессе сопровождения спутника. Время холодного (Cold), теплого (Warm) и горячего (Hot) старта – это среднее время до первого определения координат при соответственно первом включении модуля (или после долгого перерыва), при включении модуля через 4-6 часов после выключения (эфемериды еще не устарели) и после короткого пропадания связи со всеми спутниками (например, проезд туннеля).

Количество каналов, с которым может работать GPS чипсет является одним из самых важных параметров. Каждый канал необходим для обработки одного сигнала от одного из спутников. Большое количество каналов позволяет GPS чипсету принимать не только прямые, но и отраженные сигналы в условиях плотной городской застройки и использовать их при расчете координат. Другими словами появляется возможность обработки не только прямого сигнала (часть которого может быть искажена помехами), но и отраженного (который может быть слабее, но эта часть поступила без искажений), что позволяет в итоге повысить точность определения координат. Для MediaTek и u-blox 6 используются два числа в параметре: первое – количество каналов для захваченных сигналов (по которым ведется расчет координат), второе – общее число каналов (остальные каналы используются для поиска основных и отраженных сигналов).

Исходя из представленных характеристик наибольшую точность и устойчивость работы должны давать GPS модули на чипсетах MediaTek и u-blox 6 (у них большая чувствительность и большее число каналов). На момент проведения тестирования это самые современные чипсеты, имеющие высокую производительность и поддерживающие технологию A-GPS (быстрый старт за счет получения начальных данных- альманах и эфемериды по каналам связи). Неплохо себя должен показать и широкоизвестный чип SiRFstarIII, имеющий самые высокие продажи в мире и хорошо зарекомендовавший себя за время использования.

Однако хорошие технические характеристики не дают гарантии хорошего результата. Немаловажными является алгоритм обработки получаемых со спутников данных, успешная фильтрация помех, а так же прочие функции, заложенные во встроенное программное обеспечение чипсетов. И показать все это может только реальное тестирование.

3. Статический тест.

Задача статического теста – выявить стабильность определения модулем навигационных параметров с течением времени при его неизменном положении в пространстве. Так же дополнительной характеристикой качества модуля будет являться среднее количество видимых и захваченных сигналов от спутников за период теста.

Методика: Размещение терминалов FORT, оснащенных соответствующими моделями GPS-модулей и антенн было произведено на неподвижном объекте (подоконник офиса) с неидеальным обзором небосвода (~30% - напротив находилось здание), сбор статических параметров (количество видимых и захваченных спутников, измеренная высота, отклонение полученных координат) проходил в течении 30 минут от всех устройств одновременно. Для сбора данных использовался компьютер с установленным программным обеспечением u-center компании u-blox. Тест проводился четыре раза в разные дни и разное время суток.

Диаграммы девиации (отклонения измеренных координат от среднего значения) для каждого модуля показаны на рисунках ниже. Диаграммы приведены только для первого теста, остальные попытки показали сходные результаты. Так как результаты тестов U-blox 6, SiRFstarIII и MediaTek идентичны (отклонения отсутствуют), все они представлены на следующем рисунке

Диаграммы дивиации модулей на чипсетах ANTARIS (максимальное отклоненеие 50 метров) и ATHEROS (максимальное отклоненеие 20 метров) представлены на следующих рисунках соответственно.

Подробный анализ результатов статического теста будет проведен в заключении статьи.

4. Динамический тест.

Задача динамического теста – выявить точность определения координат модулями, сравнивая реальный и зарегистрированный модулем трек движения транспортного средства.

Методика: Терминалы FORT, оснащенные соответствующими моделями GPS-модулей и антеннами, были размещены на транспортном средстве. Автомобиль двигался по маршруту, проложенному через различные участки местности (площади и проспекты, небольшие улицы с густой растительностью закрывающей небосвод, дворы с плотной застройкой и т.п.). Каждую секунду терминалы записывали регистрируемые GPS-модулями навигационные параметры в энергонезависимую память. После поездки все данные были считаны и проанализированы.

Результаты: При движении по открытой местности практически все GPS чипы ведут себя одинаково точно и отклонения не превышают 1-3 метров (см. рис. 4).

При проезде рядом с объектами, частично закрывающими небосвод, начинают проявляются отклонения в определении координат у некоторых моделей GPS модулей

При проезде рядом с высотными зданиями отклонения становятся более заметными и проявляются у всех модулей (на рисунке справа белым обозначен реальный маршрут автомобиля)

На следующих рисунках редставлены другие примеры погрешности определения координат модулями в сложных условия движения при неполной видимости небосвода (движение в условиях густой растительности, движение с заездом под навес и пр. )

 

4. Заключение.

Самые плохие результаты в тестах (самые большие отклонения при определении координат в динамических тестах, большой разброс показаний в статических) показал GPS-чипсет ANTARIS 4. Что не удивительно, так как ANTARIS 4 самый устаревший чипсет из рассматриваемых, и его технические характеристики это подтверждают.

Относительно высокую степень разброса показаний в статических тестах – порядка 20 метров показал чипсет ATHEROS, и это несмотря на большое количество видимых и захваченных спутников. Связано это скорее всего с несовершенными алгоритмами фильтрации помех, реализованными в GPS-чипсете. Также ATHEROS имел достаточно большие отклонения (относительно лидеров теста) от реального маршрута в динамическом тесте, особенно в условиях помех от растительности.

Оставшиеся 3 GPS-чипа (SiRFstarIII, MediaTek, u-blox 6) показали практически идеальные результаты в статических тестах (нулевое отклонение). Из общего ряда выбивается MediaTek, который показал в статике малое количество видимых спутников, хотя количество захваченных (используемых для расчета) спутников было не меньше, чем у конкурентов, что значительно важнее. Динамический тест тоже не выявил бесспорного победителя. У каждого из модулей проявлялись некоторые незначительные недостатки. Например, u-blox имел небольшие выбросы при проезде рядом с высотными зданиями, а SiRFstarIII имел обычно большее отклонение полученного маршрута от реальной полосы движения, чем остальные два GPS-модуля.

Однако, как это уже упоминалось в анализе технических характеристик, SiRFstarIII является менее современным модулем, чем MediaTek и u-blox 6. Так он не поддерживает функцию A-GPS, имеет меньшую чувствительность и число каналов. Исходя из результатов тестирования именно модули MediaTek и u-blox 6 используются компанией Форт-Телеком при разработке и производстве терминалов серии FORT