Синхронизация системы по GPS., PPS непонятные сбои. Опции

[InvisibleFed]

Здравствуйте. Не знал точно в какую ветку, вроде сюда ближе. Для реализации одного проекта нам необходима была система временной синхронизации разнесенного измерительного оборудования. Точности системы GPS (сигнала секундной метки, PPS) казалось вполне достаточно. Взяли пару модулей OEM Lassen IQ (C/A L1) с внешними антеннами. Подключили и решили померить относительный разбег двух PPS (не относительно UTC - тут нужен еще более точный эталон, а чисто между собой). Качество приема было средненькое (от 3 до 7 спутников на каждом модуле), но вполне достаточное. И вот обнаруживаем интересную деталь. Большую часть времени, когда оба приемника выдают навигационные данные (т. е. они синхронизированы со спутниками) разница в приходе секундных импульсов лежит в диапазоне от 20 до 1000 нс в зависимости от количества спутников, с которыми синхронизированы оба приемника. Но примерно в 1% случаев (снимали и записывали разницу больше 3-х часов чистого времени три дня) происходят как бы провалы синхронизации, когда разница в приходе двух секундных импульсов улетает вообще в космос (речь идет о миллисекундах, даже десятках миллисекунд !). Такие провалы возникают буквально на ровном месте: приемники и антенны неподвижны, координаты получаем, на обоих модулях может быть хоть по 6-7 спутников, разбег по 20-50 нс, потом БАЦ! и разлетелись. А через пару тактов PPS – как ни в чем не бывало снова 20-50 нс. В чем причина? Подумал про чистоту эксперимента, но провалы возникают без какого-то периода, вне зависимости от количества спутников (короче хаотично). Кто что подскажет или какие мысли о возможных причинах? Кто с таким сталкивался? В других модулях такое наблюдается (нет пока возможности проверить)?

[InvisibleFed]

В случае с Trimble Lassen IQ, штатная синхронизация PPS не должна быть не хуже +/-50 нс относительно системного времени GPS, соответственно взимная синхронизация между двумя приемниками должна быть не хуже +/-100 нс без учета неравномерности распространения импульсов PPS (т.е., антенные кабели и PPS-линии должны быть калиброваны).

Само по себе их заявление про +/- 50 нан фигня полная раз даже по оф. данным для кода C/A на этой частоте ошибка времени системы GPS составляет 340 нс с вероятностью 95%. Самое интересное, что сами Trimble в своей докуме говорят об точности определения координат в процентном выражении, а про точность PPS просто: +-50 нс. Это как так? При каком количестве спутников достигается такая точность? С какой вероятностью? Ложь в этом усматриваю. И что значит колиброванные кабели и линия PPS? Антенны с кабелями от этой же Trimble, специально заточенные к этим Lassen IQ. А линия PPS? КМОП соединяю с КМОП - что тут калибровать?

Однако, они "лучшие" только для профессиональных геодезистов и т.п., так как очень "капризны" - надо точно знать, как настроить большинство параметров для получения адекватного решения по времени и позиции.

Извините, но что-то я там не нашел никаких настроек способных по идее повлиять на точность.

а так же правильно выбрать место и время сбора нав. данных.

А я почему-то думал, что это они мне должны говорить место и время... причем максимально точно. Мда...

И вот еще что. Может я что-то не понимаю, но зачем мне больше 12 каналов? В одном полушарии бывает 16 спутников?

[samurad]

Само по себе их заявление про +/- 50 нан фигня полная раз даже по оф. данным для кода C/A на этой частоте ошибка времени системы GPS составляет 340 нс с вероятностью 95%. Самое интересное, что сами Trimble в своей докуме говорят об точности определения координат в процентном выражении, а про точность PPS просто: +-50 нс. Это как так? При каком количестве спутников достигается такая точность? С какой вероятностью? Ложь в этом усматриваю. И что значит колиброванные кабели и линия PPS? Антенны с кабелями от этой же Trimble, специально заточенные к этим Lassen IQ. А линия PPS? КМОП соединяю с КМОП - что тут калибровать?

Не знаю, откуда у вас цифра 340 нс с вероятностью 95%. В разделе "3.3.4 GPS Time and SV Z-Count" Cпецификации Интерфеса GPS (IS-200D), который является основным официальным документом регламентирующим параметры системы для оптимального гражданского приемника, говорится "The accuracy of this data during the transmission interval shall be such that it shall relate GPS time (maintained by the MCS of the CS) to UTC
(USNO) within 90 nanoseconds (one sigma)... Range error components (e.g. SV clock and position) contribute to the GPS time transfer error, and under normal operating circumstances (two frequency time transfers from SV(s) whose navigation message indicates a URA of eight meters or less), this corresponds to a 97 nanosecond (one sigma) apparent
uncertainty at the SV." Итого, на выходе спутниковой антенны сигнал GPS имеет макс. 187 нс ошибку относительно времени UTC, и 97 нс относительно системного времени GPS. Это без учета канала распространения и обработки приемником. Одна сигма Гауссового распределения соответствует вероятности 68% прим.

Специальные приемники временной синхронизации требуют от нескольких часов до суток времени для точной оценки канала распространения (если он более менее статичен) и стабилизации внутреннего опорного генератора, а задержки и бюджет джиттера внутренних цепей приемника точно оцениваются на предпродажном этапе, так что такой приемник обычно выдает точность оценки времени 50-90 нс (относительно времени GPS). С Lassen IQ дела не имел, но довелось как-то наблюдать один приемник Ashtec дававший на осциллографе 20-40 нс ошибку PPS относительно высоко-стабильного источника PPS на рубидиевом генераторе. Естественно, все задержки кабелей должны быть точно расчитаны и все возможные помехи устранены - это и есть калибровка.

Точность PPS равна точности координат, деленную на скорость света (= точность времени приемника), плюс дискрет времени приемника.
Точность координат зависит от количества спутников сложным образом и неоднозначно, зато большое и непосредственное влияние оказывает "геометрический фактор" созвездия, т.н. GDOP, PDOP и VDOP, а также степень "открытости неба", т.е. отсутствие многолучевости и ослабления сигналов.

Извините, но что-то я там не нашел никаких настроек способных по идее повлиять на точность.

К таким настройкам относятся как минимум Satellite Mask Settings, Operating Mode и Receiver Sensitivity Mode. Это группы параметров, внутри которых есть несколько конечных параметров-порогов, регулирующих поведение приемника, напр. маска возвышения, маска PDOP, прием DGPS, и т.д. Для макс. точности надо установить довольно высокие пороги и низкую чувствительность, чтобы приемник вынужден был отслеживать только стабильно-сильные сигналы. Однако, не следует перебарщивать, иначе приемник просто "не увидет" достаточного количества сигналов.

А я почему-то думал, что это они мне должны говорить место и время... причем максимально точно. Мда...

Это заблуждение. Как правило по умолчанию навигационный и синхронизирующий приемники выдают место и время с той точностью, которая получается в данных условиях, и часто это далеко не максимально возможная точность, которая для GPS L1 C/A составляет 6 м (одна сигма) для измерений только по C/A коду (без фазы несущей).

И вот еще что. Может я что-то не понимаю, но зачем мне больше 12 каналов? В одном полушарии бывает 16 спутников?

Количество видимых спутников выше 10 град. над горизонтом обычно от 6 (редко) до 8 (часто), макс. до 11 (редко) в любой точки на поверхности Земли вне полярных зон. Болшое количество каналов нужно, чтобы в реальных условиях иметь несколько созвездий из 4-х спутников с наилучшей геометрией, иметь 1-2 общих спутников в таких созвездиях и при этом отслеживать по 3-10 (а лучше, по 100-1000) задержек каждого спутника одновременно. Тогда при временном замирании 1-2-х сигналов, что бывает довольно часто из-за неустранимой полностью многолучевости, приемник может (не всегда, но часто) плавно переключиться на другое созвездие. Если же отслеживается только одно наилучшее созвездие, то даже при небольшом замирании сигнала одного спутника приемник теряет точность координат и времени скачко-образно. Величина скачка зависит от степени ухудшения SNR сигнала. Сам скачок обычно не длится дольше 1 сек., если SNR сигналов других спутников не меняются существенно (до 0.5 дБ). Синхронизирующий приемник умеет сглаживать такие скачки, и они не сказываются на PPS. Однако, если SNR многих сигналов нестабильно, то сглаживание не помогает, и PPS начинает "трястись" или вообще "уходить". Чем стабильнее SNR, тем меньше шумовая составляющая в показаниях координат и времени.

Помимо SNR сигналов, стабильность и точность координат и времени (и PPS) сильно зависит от стабильности температуры, давления и влажности среды вокруг опорного генератора, даже если последний оборудован схемой стабилизации, и степени его тряски. Бывает, удивляются на слишком большую ошибку, когда приемник поставят на одну несущую конструкцию вместе с мотором или другим "трясущимся" механизмом, или антену закрепят на тонкой мачте, которую качает ветром, или при выезде из отапливаемого гаража на улицу и т.п. В общем, получение макс. точности - это очень непростое и кропотливое дело.

[Serj78]

Точность PPS равна точности координат, деленную на скорость света (= точность времени приемника), плюс дискрет времени приемника.
Точность координат зависит от количества спутников сложным образом и неоднозначно, зато большое и непосредственное влияние оказывает "геометрический фактор" созвездия, т.н. GDOP, PDOP и VDOP, а также степень "открытости неба", т.е. отсутствие многолучевости и ослабления сигналов.

Осмеюсь дополнить: многоуважаемый гуру имеет в виду точность "сырых"координат, которые большинство приемников выдавать или не умеют, или их надо очень сильно попросить (например Ublox это умеет делать во своему бинарному протоколу)

На координаты, которые вы видите с "выхода", в большинстве случаев наложена также модель движения приемника. В некоторых моделях приемников эти настройки можно устанавливать.
Как правило, в большинсве гражданских приемников по умолчанию стоит "автомобильная" модель, фильтр которой ограничивает резкие ускорения на малой скорости.

То что координаты не меняются, а pps колбасит- следствие, скорее всего, именно влияния модели движения.

[samurad]

Осмеюсь дополнить: многоуважаемый гуру имеет в виду точность "сырых"координат, которые большинство приемников выдавать или не умеют, или их надо очень сильно попросить (например Ublox это умеет делать во своему бинарному протоколу)

На координаты, которые вы видите с "выхода", в большинстве случаев наложена также модель движения приемника. В некоторых моделях приемников эти настройки можно устанавливать.
Как правило, в большинсве гражданских приемников по умолчанию стоит "автомобильная" модель, фильтр которой ограничивает резкие ускорения на малой скорости.

То что координаты не меняются, а pps колбасит- следствие, скорее всего, именно влияния модели движения.

Естественно, модель движения надо выбирать соответственную (не "ракета" уж точно), но "автомобильная" модель должна предусматривать остановку и вместе с ней неподвижные координаты... Специально для вас напоминаю условие автора:

Здравствуйте. ...Такие провалы возникают буквально на ровном месте: приемники и антенны неподвижны, координаты получаем, на обоих модулях может быть хоть по 6-7 спутников, разбег по 20-50 нс, потом БАЦ! и разлетелись.

[Serj78]

Естественно, модель движения надо выбирать соответственную (не "ракета" уж точно), но "автомобильная" модель должна предусматривать остановку и вместе с ней неподвижные координаты... Специально для вас напоминаю условие автора:

Да, конечно, я это читал.. Именно этот факт наводит на мысль- почему не видно смещения координат при смещении pps?

Я имею в виду, что модель, какая бы она ни была, содержит в себе фильтр координат, (я некоторое время занимался исследованием динамики тримбла и юблокса, )
И если он не отключен, то короткого отскока координат автор никогда не увидит, или увидит малое смещение.

тем более, если координаты все время стоят на месте- "автомобильный" фильтр имеет некоторую степень адаптивности- диапазон ускорений расширяется в зависимости от скорости.

Сильно поможет анализу ситуации, как уже упоминал samurad, значение PDOP и аналогичных "статистических" параметров.