Пробег автомобиля: почему ГЛОНАСС и одометр расходятся? Часть 5. Качество данных и валидация

В мониторинге транспорта телематические данные — это основа для принятия решений. Однако даже самые продвинутые системы не застрахованы от ошибок и погрешностей. Расхождения в данных спутниковой навигации, которые мы разбирали в предыдущих статьях, зачастую обусловлены не только методами расчета, но и качеством самих данных.

В этой статье мы разберем оставшиеся 3 поля из нашего датасета, кроме показаний пробега по одометру, полученные через CAN-шину. Эти поля содержат значения, определяющие надежность спутниковых данных:

• satellites_count — количество видимых спутников при решении навигационной задачи.

• hdop — фактор снижения точности в горизонтальной плоскости.

• valid — итоговый флаг валидности данных.

Мы разберем, как эти показатели формируются, какие значения считаются приемлемыми и как интерпретировать их при анализе данных. На основе реального датасета мы проанализируем влияние качества данных на точность расчета пробега.

Количество видимых спутников

Количество навигационных спутников является одним из ключевых факторов, определяющих точность и надежность данных, получаемых системой спутниковой навигации. Оно непосредственно влияет на возможность решения навигационной задачи и точность определения местоположения.

Требуется как минимум 3 спутника для определения координат на плоскости (широта и долгота), используя метод трилатерации. И как минимум 4 спутника для добавления измерения высоты над уровнем моря. Если количество видимых спутников падает ниже минимального уровня, навигационная задача становится нерешаемой, и трекер теряет возможность вычисления координат. Даже при 4–6 спутниках точность данных может быть снижена из-за их плохого геометрического расположения (например, спутники “сконцентрированы” на одном участке неба). 

Качество сигнала от количества спутников:

• Хороший сигнал (10 и более спутников). Высокая точность координат, погрешность в пределах нескольких метров. Надежное определение высоты и стабильные данные о скорости и направлении движения.

• Средний сигнал (6–8 спутников). Погрешность координат может достигать десятков метров. Значительные ошибки в расчёте высоты. Сильная зависимость от геометрического расположения спутников (HDOP).

• Плохой сигнал (менее 4 спутников). Невозможность решить навигационную задачу. Прерывания в определении или резкие скачки координат.

Факторы, влияющие на количество видимых спутников:

• Местоположение. В городах сигнал может отражаться от зданий, вызывая “многолучевость”. В туннелях и подземных паркингах количество видимых спутников резко снижается или полностью отсутствует.

• Оборудование. Современные приёмники работают с несколькими системами (GPS, ГЛОНАСС, Galileo, Beidou), увеличивая общее количество видимых спутников. Старые приемники, поддерживающие только одну систему, в этом проигрывают.

• Погодные условия. Сильные осадки или плотные облака могут ухудшить качество сигнала, хотя количество спутников остается прежним.

• Радиоэлектронная борьба (РЭБ). Глушилки GPS-сигналов могут искусственно создавать ситуацию, когда количество видимых спутников становится недостаточным.

В ситуациях с ограниченным числом спутников или их плохим расположением необходимо применять фильтрацию данных, комбинирование с инерциальными системами (IMU) и учитывать показатели, такие как HDOP, чтобы снизить ошибки в расчётах. Например, стандартная конфигурация оборудования Навтелеком отбраковывает данные полученные от менее чем 4 спутников.

Горизонтальное снижение точности

DOP (Dilution of Precision с англ. — «снижение точности») — термин, использующийся в области систем глобального позиционирования для параметрического описания геометрического взаиморасположения спутников относительно антенны приёмника. Существуют следующие компоненты DOP:

• HDOP (horizontal DOP) — снижение точности в горизонтальной плоскости (широта и долгота).

• VDOP (vertical DOP) — снижение точности в вертикальной плоскости (высота).

• PDOP (position DOP) — снижение точности по местоположению: PDOP^2 = HDOP^2 + VDOP^2.

• TDOP (time DOP) — снижение точности по времени.

• GDOP (geometric DOP) — суммарное геометрическое снижение точности по местоположению и времени: GDOP^2 = PDOP^2 + TDOP^2.

В транспортной телематике автомобильные трекеры чаще всего предоставляют только значение HDOP, который отражает качество геометрического расположения спутников относительно приемника для определения широты и долготы. Чем меньше значение HDOP, тем точнее определяются координаты объекта. Этот параметр является одним из ключевых индикаторов точности данных в спутниковой навигации.

HDOP зависит от того, как спутники расположены на небесной сфере относительно приемника. Если спутники расположены далеко друг от друга (широкое покрытие неба), HDOP будет низким, что указывает на высокую точность. Если спутники сгруппированы в одной области, HDOP возрастает, и точность снижается. HDOP показывает, насколько велика погрешность координат из-за геометрического расположения спутников, даже если сигналы от каждого из них получены без ошибок.

Точность местоположения в зависимости от HDOP:

• 0-1 — Идеальная точность. Такие значения характерны для открытых пространств и качественного оборудования при отличных условиях приема и большом количестве спутников. Координаты имеют погрешность в пределах 2–5 метров.

• 1-3 — Высокая точность. Подходит для большинства задач, включая мониторинг транспорта и расчет пробега. Погрешность обычно в диапазоне 5-10 метров.

• 3-6 — Средняя точность. Может использоваться в вычислениях, но погрешность может достигать достигать 20–50 метров, особенно если спутники находятся низко над горизонтом или сгруппированы в одной части неба.

• 6 и более — Низкая точность. Погрешность превышает 100 метров, данные становятся бесполезными. Такой уровень HDOP наблюдается в условиях плотной городской застройки, в туннелях или при плохом расположении спутников. 

Факторы, влияющие на HDOP:

• Количество видимых спутников. Чем больше спутников, тем ниже HDOP. Минимально требуемое количество спутников — 4, но для низкого HDOP необходимо 6 и более.

• Геометрия спутников. Разброс спутников по небу является критическим фактором. Если спутники сгруппированы в одной части неба, HDOP возрастает.

• Местоположение приемника. В туннелях, под мостами или в густых лесах качество сигнала ухудшается, а HDOP растёт.

• Внешние помехи. Глушение GPS-сигнала или многолучевость (отражение сигнала от зданий) также увеличивают HDOP.

Низкий HDOP позволяет доверять данным о положении, скорости и направлении, в то время как высокий HDOP требует фильтрации данных или их корректировки. Конфигурация оборудования Навтелеком по умолчанию отбрасывает любые координаты с HDOP выше 2.5.

Флаг валидности

Флаг валидности — это параметр, определяющий, насколько данные, предоставленные спутниковым приёмником, являются надежными и пригодными для использования. Этот индикатор играет ключевую роль в фильтрации и обработке данных в системах спутниковой навигации и транспортной телематики. 

Его установка происходит на уровне навигационного оборудования, которое анализирует качество входящих данных от спутников и на основе встроенных алгоритмов принимает решение о валидности. Если данные не соответствуют минимальным требованиям точности, флаг валидности снимается.

Количество видимых спутников и HDOP являются основными из параметров, определяющих валидность координат. Но дополнительно можно использовать значения скорости и высоты, а также инерциальные и другие датчики. Более подробно о настройке валидации в оборудовании Навтелеком можно прочитать в их документации.

Датасет

Флаг валидности, как и количество видимых спутников и HDOP, являются необязательными параметрами в навигационной телеметрии, поэтому не все автомобильные трекеры способны их отправлять. А даже если такая функциональность имеется, передачу этих данных могут просто отключить с целью экономии трафика. Поэтому сначала отберем из нашей выборки трекеры, которые имеют нужные нам поля:

Статистика по флагу валидности, количеству спутников и HDOP на всем нашем датасете следующая:

• valid — флаг валидности

  • true: 189 139 560 — трекер считает данные валидными

  • false: 4 802 132 — трекер считает данные невалидными

  • null: 940 967 — трекер не имеет функции валидации

• sat_count — количество спутников

  • exist: 194 882 659 — количество спутников известно

  • null: 0 — в нашей выборке все трекеры отправляют количество спутников

• hdop — фактор снижение точности

  • exist: 113 206 680 — значение hdop известно

  • null: 81 675 979 — значение hdop неизвестно

Самый “редкий” параметр — HDOP, по нему и отфильтруем выборку трекеров из датасета. Нам подходит примерно половина трекеров, возьмем из них лидера по количеству телеметрии:

Нам повезло, так как здесь присутствуют «полеты», которые негативно влияют на корректность итогового пробега транспортного средства:

Распределение по количеству видимых спутников близко к нормальному вокруг значения в 17. Это хороший показатель, т.к. при наличии более 10 спутников мы можем ожидать хорошее качество координат.

Далее динамика количества видимых спутников за небольшой период. Наблюдается паттерн падения количества спутников до нуля на начале очередного рейса. Это говорит о холодном старте GPS-модуля при включении массы на автомобиле и инициализации трекера, подключенного напрямую к бортовой сети.

Теперь распределение значений по HDOP. Практически вся телеметрия была зафиксирована при оптимальном расположении навигационных спутников в небе. И это не удивительно, так как выше мы убедились в их достаточном количестве.

Динамика значений HDOP за начальный интервал в датасете:

Распределение значений флага валидности. Почти всю телеметрию трекер счел валидной и пригодной для дальнейшей обработки.

Динамика флага валидности за начальный интервал. Очень похоже на паттерн падения количества спутников на старте движения автомобиля, верно?

Мы уже знаем, что HDOP и количество спутников — это параметры для расчета итогового значения флага валидности, поэтому посмотрим взаимосвязь этих значений:

И рассчитаем линейную корреляцию: 

Между флагом валидности и количеством спутников средняя положительная корреляция, а между флагом валидности и HDOP — средняя отрицательная. Знак корреляции очевиден, т.к. при росте количества спутников и снижении HDOP — качество данных улучшается, и наоборот. Средняя линейная связь говорит лишь о том, что количество спутников и HDOP — не единственные параметры расчета флага валидности.

Интересно посмотреть на корреляцию этих значений на всем датасете. Запускаем расчет по 100+ миллионам записей и смотрим, что получилось:

Ничего нового мы тут не увидели, корреляция сохранилась в тех же интервалах. Таинственных инсайтов мы тут не получили, что в общем-то ожидаемо. Но важно отметить, что достаточное количество видимых спутников не гарантирует отличный HDOP, т.к. спутники могут быть сконцентрированы в одной области неба и/или быть слишком низко над горизонтом.

Программная фильтрация

Для примера возьмем тот же трекер за месяц, когда наблюдалось 2 типа глушения: “телепорт” и “круги”. Телеметрия была получена от трекера Навтелеком с такими же параметрами, как на рисунке 7. Для начала построим трек по всем точкам без исключения и посчитаем пробег. Получаем 1 758 км.

Теперь попробуем посчитать пробег и построить трек только для точек с верным флагом валидности. Итоговый пробег незначительно снизился, до 1 745 км. Но круги и телепорт никуда не делись. Валидации на стороне оборудования здесь явно недостаточно.

Попробуем ужесточить требования к HDOP до 2-х единиц. Телепорт и круги остались, но пробег снизился до 1 732 км.

Теперь попробуем увеличить минимальный порог количества видимых спутников, которые участвовали в решении навигационной задачи, до 10. И вот результат, “телепорт” полностью исчез и срезало часть кругов. Пробег теперь 1 452 км.

Ну и поиграемся с высотой. Топографическая карта говорит, что в этом регионе высота не более 125 метров над уровнем моря, поэтому отфильтруем все выше 100 метров. Как итог, кругов почти не осталось, а пробег упал до 1 407 км.

Таким образом, программной фильтрацией, по сути только частично повторяющей алгоритм валидации внутри оборудования, но с более жесткими параметрами, мы снизили пробег, рассчитанный по ГНСС, с 1 758 км до 1 407 км — на целых 351 километр.

Конечно, мы не можем восстановить данные, которые были потеряны из-за глушения и не учитываем реальный пробег на этих участках, который невозможно посчитать по ГНСС в зонах глушения. Но как минимум избегаем “накрутки” ненастоящего пробега. 

Заключение

Достоверность и точность данных спутниковой навигации — это основа эффективного мониторинга транспорта. Качество данных определяется множеством факторов, среди которых важнейшими являются:

• Количество видимых спутников.

• Уровень горизонтального снижения точности.

• Флаг валидности, объединяющий все показатели качества.

Анализ реального датасета показал, что качество данных можно улучшить, используя фильтрацию по специальным параметрам телеметрии. Например, настройка фильтров оборудования исключаетточки с высоким HDOP или недостаточным числом спутников. Однако, как показала корреляция, валидность данных не сводится только к этим параметрам — это комплексный показатель. Для повышения точности расчетов важно использовать дополнительные данные, такие как показания IMU и другие сенсоры.

Следующая часть цикла статей будет заключительная. В ней мы изучим показания одометра по CAN и сравним пробег по ГНСС с учетом всего того, что мы уже знаем. Например, какой же километраж «сожрали» телепорт и круги выше. И как с этим жить! Не переключайтесь 😉