Использование данных NMEA в сценарии имитатора

1. Сообщение NMEA

Согласно стандарту NMEA-0183, передаваемое сообщение представляет собой текст в кодировке ASCII (включая управляющие символы возврата каретки CR и перевода строки LF). Скорость передачи данных NMEA составляет 4800 бод. Данные передаются в виде "строк":

• Символ "$" (начало строки)
• Два первых символа обозначают идентификатор источника сообщения, три последующих – идентификатор формата сообщения.
• Список данных, разделенных запятыми.
• Контрольная сумма (необязательна).
• Управляющие символы возврата каретки/перевода строки (конец строки).

Полное описание форматов сообщений NMEA для приемников GPS приведено в документе 1 (см. Справочная литература).

1.1 Сбор и использование данных NMEA в сценарии имитатора

Программное обеспечение SimGEN позволяет создавать траекторию движения имитируемого транспортного средства на основе файла с набором команд, заданных в определенной последовательности. Эти команды начинают выполняться сразу после запуска сценария испытания. Имитатор динамически изменяет радиосигнал, воспроизводя траекторию движения приемника (помимо моделируемой траектории спутника). При этом приемник осуществляет навигацию так же, как при физическом перемещении в пространстве. Имитатор позволяет имитировать перемещение в диапазоне от субмиллиметрового до высокодинамического.

В некоторых ситуациях возникает необходимость дублирования реальной траектории перемещения. Это может быть реальная дорога, железнодорожная линия, траектория полета, морской путь или лесная тропа. Обычно использование реальных траекторий необходимо для испытаний, где проверяются функции приемника по определению его местоположения на электронной карте, т.е. пройденная траектория должна совпадать с данными карты. Для проведения этого типа испытания необходимы записанные данные NMEA и имитатор.

1.2 Сбор данных NMEA

Большинство коммерческих приемников ГНСС способны сохранять данные NMEA в файл или выводить их с описанием навигационного состояния. С помощью этих функций можно осуществлять запись всех перемещений приемника и использовать эту информацию для создания UMT-файла, который может быть воспроизведен в сценарии имитатора.

При записи данных следует помнить, что антенна приемника должна располагаться в зоне нормальной радиовидимости для обеспечения высокой точности навигации, в зависимости от условий рабочей среды. Например, при использовании автомобильного приемника ГНСС с внешней опциональной антенной всегда лучше использовать внешнюю антенну, установленную на крыше транспортного средства. Если эта опция доступна, следует установить максимальную скорость передачи сообщений NMEA (обычно 1 секунда, но некоторые типы приемников имеют более высокую скорость передачи). В разделе 1.1.3 рассматриваются некоторые другие вопросы качества регистрируемых данных NMEA.

1.2.2 Утилита декодирования данных сообщений NMEA

Утилита предназначена для использования записанных сообщений NMEA (в частности данных местоположения, скорости, времени и видимости спутников) для воссоздания перемещения и различных уровней мощности сигнала в сценарии имитатора. Данная утилита является частью стандартного программного пакета SimGEN. Для доступа к ней следует открыть меню Tools > General Utilities. Эта утилита также доступна как инструмент программы SimPROCESS, которая является отдельным приложением обработки данных, использующим рабочую среду MATLAB (входит в стандартный пакет программ SimGEN).

Для доступа к утилите SimPROCESS откройте меню Tools в приложении SimGEN. На рисунке 1 показано окно утилиты декодирования сообщений NMEA.

Данная утилита преобразует файл регистрации событий, содержащий сообщения NMEA GGA, в UMT-файлы, с которыми работает приложение SimGEN. UMT-файл содержит команды перемещения с интервалом 100 мс.

Кроме того, эта утилита позволяет генерировать файл команд, с помощью которого приложение SimGEN сможет осуществлять управление видимостью спутников и уровнем мощности приемника. Для дублирования видимости спутников используются данные, содержащиеся в сообщениях NMEA GSV.

Работа с утилитой декодирования данных:

• Введите путь к текущему сценарию в строку Directory (Директория).
• Откройте файл c сохраненными данными NMEA.
• Выберите желаемую директорию для сохранения декодированного файла (по умолчанию выбрана директория сценария, однако это может быть любая другая директория).
• Если необходимо активировать управление видимостью спутника, установите флажок Enabled (Активировать) и выберите директорию для сохранения файла команд.
• Щелкните по кнопке Run (Пуск), утилита начнет обработку данных. Справа от кнопки Run выводится информация о ходе операции.
• По завершении операции закройте приложение.

В приложении SimGEN можно открыть декодированные файлы для дальнейшего использования в сценарии. Необходимые шаги указаны ниже. Подробное описание работы с программным пакетом SimGEN указано в документе 2 (см. Список литературы).

UMT-файл (файл траектории движения)

- На главной странице графического интерфейса пользователя SimGEN в дереве файлов сценария в меню Vehicle > Motion (Транспортное средство > Траектория движения) щелкните правой кнопкой по User Motion File (Пользовательский файл траектории движения) и выберите Select (Выбрать). Если декодированный файл сохранен в текущую директорию сценария, он появится в начале списка Files available from the current scenario (Файлы, доступные из текущего сценария).

- Щелкните по файлу и выберите Select (Выбрать).

- Имя выбранного файла (например, motion.umt) появится в дереве сценария, и с этого момента файл может использоваться при запуске сценария (см. рисунок 2).

Видимость спутников

Создание файла пользовательских действий видимости спутников из сообщений GSV схоже с созданием UMT-файла.

- В дереве сценария в меню Options (Опции) щелкните правой кнопкой по User Actions File (Файл пользовательских действий) и выберите Select (Выбрать). Откроется диалоговое окно Select File Dialog (Выбор файла). Если декодированный файл сохранен в текущую директорию сценария, он появится в начале списка Files available from the current scenario (Файлы, доступные из текущего сценария).

- Щелкните по файлу и выберите Select (Выбрать).

- Имя выбранного файла (например, sat visibility.cmd) появится в дереве сценария, и с этого момента файл может использоваться при запуске сценария (см. рисунок 2).

После этого сценарий считается настроенным и может использовать декодированные данные траектории движения, полученные из файла NMEA и файла пользовательских действий для изменения уровня мощности радионавигационного сигнала в зависимости от зарегистрированной в данных NMEA видимости спутников.

Далее следует удостовериться, что используемое имитатором рабочее созвездие спутников в точности соответствует рабочему созвездию, которое использовал приемник во время записи данных NMEA. Если это условие не выполняется, тогда использование файла пользовательских действий для изменения мощности радионавигационного сигнала становится бессмысленным, так как имитатор будет обращаться к спутникам, которые могут быть недоступны (в случае имитации только траектории без видимости спутников, соблюдение этого условия не обязательно).

Программный пакет SimGEN позволяет загружать форматы альманахов YUMA и SEM, заменяющих внутренний. Обновленные альманахи YUMA и SEM доступны на веб-сайте NAVCEN: www.navcen.uscg.gov/gps/almanacs.htm

Чтобы загрузить альманах, соответствующий дате записи данных NMEA:
- Дважды щелкните по Signal Sources File (Файл источников сигнала) в ветке GPS Constellation (Рабочее созвездие GPS) в дереве файлов сценария. Откроется окно Signal Sources file.
- В ветке Motion (Траектория движения) в списке слева щелкните по Orbits (Орбиты), откроются данные по орбите SV1.
- В нижней части этого окна расположены кнопки Load YUMA (Загрузить альманах YUMA) и Load SEM (Загрузить альманах SEM). Нажмите нужную кнопку и выберите место для сохранения файла альманаха.
- Нажмите OK.
- Нажмите OK в окне Signal Source file (Файл источников сигнала) и введите имя (например, week 123) и нажмите OK.

На рисунке 3 показана страница Orbits (Орбиты) окна (Файл источников сигнала).

Установите начальное время и дату сценария, которые должны совпадать со временем и датой записи данных NMEA:
- Дважды щелкните по Start Time (Начальное время) в верхней части дерева файлов сценария. Откроется окно Start time and duration (Начальное время и продолжительность), как показано на рисунке 4.
- Введите дату и время в соответствующие поля. Нажмите OK.

После начала выполнения сценария имитатор начнет имитировать сигналы рабочего созвездия спутников, аналогичные сигналам записи данных NMEA, включая изменения уровня их мощности по причине затенения от внешних преград.

1.2.3 Дополнительная информация по использованию данных NMEA

Точность

Точность окончательных данных перемещения, используемых в сценарии SimGEN, зависит от точности данных местоположения, скорости и времени, вычисляемых приемником во время записи данных NMEA. Утилита декодирования данных NMEA обеспечивает точное декодирование данных, как они есть, вместе с присущими им погрешностями, что очень важно для испытания алгоритмов привязки к дороге. Данные, содержащие большие погрешности позиционирования, могут привести к серьезным проблемам при выполнении сценария испытания, и вместо того, чтобы выполнять навигацию вдоль определенного маршрута, приемник будет принимать сигнал на навигацию по ошибочной траектории.

В некоторых случаях такая погрешность позволяет испытать возможности программного обеспечения приемника по осуществлению привязки к маршруту при низкой точности данных позиционирования. В любом случае следует проанализировать точность данных NMEA и при необходимости внести в них определенные поправки.

Дублирование реальных ситуаций

Воссоздание реальной траектории и видимости спутников позволяет создавать сценарии, дублирующие реальные ситуации (например, ситуацию, в которой получение навигационного сигнала приемником затруднено). Однако следует понимать, что возможно точное воспроизведение только траектории, но не затенения навигационного сигнала, которое воспроизводится лишь частично. Обстановка передачи сигнала (многолучёвость, атмосферные условия и т.д.) не может быть записана в данные NMEA. Следовательно, сам по себе этот метод не всегда способен обеспечить точное дублирование всех проблем, связанных с передачей и приемом радионавигационного сигнала. Метод представления чаще всего предпочтительнее точного дублирования для испытания навигационной аппаратуры, так как он обеспечивает управление и воспроизводимость эффектов, необходимых для проведения испытания.

2. Заключение

Мы выяснили, что в некоторых случаях дублирование в сценарии реальной траектории движения, пройденной приемником, более предпочтительно. В настоящем документе рассматривается методика получения данных местоположения, скорости, времени и видимости спутников из записанных сообщений NMEA, декодирование их в UMT-файл (формат SimGEN) и в файл пользовательских действий соответственно с помощью входящей в состав SimGEN утилиты и использование этих данных в сценарии имитатора.

Также здесь приводится пояснение по ограничениям подхода дублирования, а также объясняется, почему метод представления обычно более эффективен, чем точное дублирование условий реального мира.

3. Глоссарий терминов

ГНСС - Глобальная навигационная спутниковая система.
NMEA - Национальная ассоциация морской электроники
Сценарий испытания - Заранее заданные условия испытания в программе SimGEN.
SEM - Альманах SEM
SV - Спутник GPS
YUMA - Альманах YUMA

наверх