Навигационное спутниковое оборудование: особенность технологии и перспективы использования

Спутниковая система навигации это комплекс оборудования, которое определяет местоположение (географические координаты) воздушных, наземных, водных объектов, а также космических низкоорбитальных аппаратов.

ГНСС используются для получения точных данных обо всех видах транспорта, определения направления движения, скорости приемника сигнала, получения точного времени.

Работа ГНСС строится на измерении расстояния от антенны, расположенной на объекте, координаты которого требуется получить, до спутников с точно вычисленным положением.

Метод измерения зависит от предположительно известной скорости распространения радиоволн. Спутники ГНСС, используя атомные часы, излучают сигналы точного времени, синхронизированные с системным временем. С последующим приемом сигналов рассчитывается временная задержка между излучением самого сигнала и его приемом. При помощи этой информации спутниковый приемник устанавливает координаты антенны. Курс, скорость, пройденное расстояние рассчитываются исходя из определения времени, которое было затрачено объектом на передвижение между точками, имеющими конкретные координаты.

Спутниковый приемник до старта измерений должен быть снабжен альманахом — таблицей, отражающей положения всех спутников, которая сохраняется в памяти устройства и используется при необходимости. Зная расстояния до спутников, можно определить пространственное расположение объекта на основе альманаха при помощи геометрических построений.

Спутниковое оборудование для GNSS составляют три основных элемента:

● Приемник — представляет собой устройство, используемое для определения географических координат настоящего местоположения приемной антенны на основе информации о временных задержках прихода сигналов. Прибор получает, обрабатывает данные, поступающие от спутников, а также записывает их в память или на внешний носитель;
● Антенна — элемент, принимающий сигнал со спутника;
● Контроллер — прибор, управляющий работой приемника, который также проверяет характеристики системы наведения антенны во время ее работы.

Подобные устройства классифицируются следующим образом:

По объему аппаратных затрат и сложности технических решений

В зависимости от объема аппаратных затрат, а также сложности технических решений спутниковые GNSS-приемники делятся на:

● Одноканальные — принимают и обрабатывают сигнал с единственного спутника;
● Многоканальные— принимают и обрабатывают сигнал, одновременно полученный с нескольких спутников. Распространены больше одноканальных.

По количеству совместимых систем

По количеству совместимых систем приемники бывают:

● Односистемные — принимают GPS-сигналы;
● Двухсистемные — осуществляют прием сигналов GPS, ГЛОНАСС.

По типу принимаемого и обрабатываемого сигнала

По типу принимаемого и обрабатываемого сигнала приемные устройства классифицируются как:

● Кодовые (одно-/двухчастотные) — используют содержащуюся в спутниковом сигнале информацию, для вычисления местоположения объекта. Способны точно определять трехмерное положение точки, направление движения, скорость, сохраняя результаты в памяти. Имеют малый размер, вес, не требуют больших энергетических затрат, работают с широким температурным диапазоном;
● Кодово-фазовые (одно-/двухчастотные) — для расчета местоположения объекта используют сам спутниковый сигнал, поэтому требуют прямого его прохождения. В основе работы лежат как кодовые, так и фазовые наблюдения, повышающие точность измерений.

По уровню точности определения координат

Уровень точности делит спутниковые приемники на три класса:

1. Навигационный— точность измерения координат составляет 160−200 м;
2. Картографический и ГИС— 1−5 м;
3. Геодезический — до 1 см для статических измерений, 1−3 см — при динамических.

Подобные устройства работают с использованием кодового режима наблюдений, где вычисляется временной интервал, необходимый для прохождения сигнала от приемника до спутника.

Приемники характеризует многофункциональное ПО, что позволяет вычислять координаты с высокой точностью, а также осуществлять привязку к изучаемому участку местности. Они хранят в памяти полученные данные с дальнейшей обработкой, передачей на ПК.

ГНСС обладает рядом достоинств:

● Не требует прямой видимости между пунктами;
● Минимизирует ошибки наблюдателей благодаря автоматизации проводимых измерений;
● Позволяет вычислять координаты объектов в любой точке мира вне зависимости от погодных условий, времени суток;
● Сокращает сроки проведения различных работ;
● Цифровой вид презентации результатов позволяет экспортировать их в ГИС или картографические системы;
● Имеет высокий уровень помехозащищенности;
● Отличается простотой управления;
● Экономически выгодна.

Существует несколько действующих ГНСС:

Самая распространенная система навигации, принадлежащая Министерству Обороны США. Состоит из пользовательского, управляющего, космического сегментов.

GPS решает следующие задачи:

● Расчет точного местоположения объекта;
● Синхронизация времени;
● Навигация.

Технология основана на 32 вращающихся по земной орбите спутниках. Данные о местоположении, времени определяются через полученную от них информацию. Спутники передают сигнал из космоса, с его помощью приемники вычисляют координаты. Таким образом осуществляется наблюдение за объектом в реальном времени.

С 2001 года внедрена усовершенствованная A-GPS система, обладающая рядом преимуществ:

● Получение дополнительной информации от мобильных операторов, что увеличивает скорость обновления геолокации;
● Быстрая передача, распознавание сигнала (менее 2 сек);
● Получение более точных данных за счет применения нескольких источников, фиксирующих координаты заданного объекта.

Выступает как российский аналог GPS, официально существующий с 1995 года, но получивший широкое распространение только к 2011 году после внедрения целевой программы развития системы.

Представлена работающими на орбите 24 спутниками, охватывающими сигналом навигации весь земной шар. При помощи ГЛОНАСС происходит спутниковый мониторинг авиации, наземного, морского, космического транспорта, а при взаимодействии с GPS повышается скорость, точность работы.

Преимущество французской навигационной технологии заключается в отслеживании маяков, высокоточном определении орбиты. Основана на системе наземных стационарных передатчиков и расположенных на спутниках приемниках. Принцип действия основан на применении эффекта Допплера. Система может найти высоту маяка на земной поверхности, координаты после установления точного положения спутника.

Китайская местная система, основанная на геостационарных спутниках, функционирует с 27 декабря 2012 года. Осуществляет метрологические, геодезические наблюдения за объектом, обеспечивает геометрическую сеть наблюдений GNSS.

Европейская система, запущенная в 2016 году, которая к началу 2020 года насчитывала 26 активных спутников: 22 рабочих, 2 тестируемых и 2 недоступных для использования. Galileo с точностью до 1 метра решает навигационные задачи для любых подвижных объектов. Полное функционирование системы после запланированных к выводу на орбиту 30 спутников ожидается в 2021 году.

Современные навигационные системы совмещают в себе GPS и ГЛОНАСС, однако это значительно увеличивает стоимость оборудования при небольшом повышении качества информации.

Выбор конкретной системы определяют несколько факторов:

1. География использования

Север России, северные широты, скандинавские страны преимущественно используют систему ГЛОНАСС, которая в данной местности показывает лучшие результаты по данным национальной сети спутниковых опорных станций Swepos.

2. Точность определения локации

У A-GPS данный показатель составляет до 2−8 м, ГЛОНАСС определяет локацию с точностью до 4−8 м.

3. Эффективность работы

Зависит от требуемого для определения данных количества спутников. GPS необходимо 6−11, системе ГЛОНАСС достаточно 6−7.

Помимо глобальных навигационных существуют спутниковые системы, которые решают региональные задачи.

Индийская система навигации, используемая только на территории страны-производителя из-за ограниченности технических параметров. Первый спутник был запущен в 2008 году, а их общее количество — 7.

Японская спутниковая система, осуществляющая навигацию, подвижную связь (аудио, видео), вещание с 2010 года. Предназначена для мобильных приложений, глобального позиционирования, однако предоставляет ограниченную точность, не способна работать автономно.

ГНСС применяются для различных сфер деятельности.

При помощи навигационных систем определяются координаты различных точек путем расчета дистанции от навигационного приемника до спутника.

Измерения производятся двумя методами:

● Статическим (приемники базируются на точках с неопределенным местоположением, а также на точках, отмеченных ранее);
● Кинематическим (один из двух используемых приемников размещается там, где местоположение известно, второй двигается от одной точки к другой).

Первая категория методов применяется для разработки геодезических сетей, вторая применяется для межевания, топографической съемки.

Посредством ГНСС осуществляется контроль колебаний, передвижений тектонических плит.

С участием систем навигации GPS, ГЛОНАСС осуществляется мониторинг скорости, местоположения автомобильного транспорта, контроль движения.

Наличие приемников ГЛОНАСС выступает обязательным условием для всех российских судов. Приемники GPS/ГЛОНАСС позволяют экипажу отслеживать точные координаты судна даже при сложных метеоусловиях, что обеспечивает безопасность судоходства.

Первые оснащенные GPS сотовые телефоны, появились в 90-е годы. ГНСС позволяет определять местоположение устройства на карте, строить маршрут, находить необходимые объекты.

Точность определения местоположения можно улучшить при помощи двух методов — наземного и спутникового DGPS — называемых дифференциальной коррекцией.

Первый метод заключается в том, что наземные станции дифференциальных поправок сверяют свое положение, заведомо известное, и сигналы, поступающие от навигационных спутников. Исходя из этих данных вычисляются корректирующие величины, которые могут быть переданы в формате RTCM на мобильные приемники DGPS с помощью ДВ или УКВ-передатчика. Таким образом, потребитель может корректировать определение своего местоположения. Метод работает, точностью до 1−3 м, зависит от качества сигнала, а также степени удаления от передатчика корректирующей информации.

Спутниковые методы, такие, как североамериканская система WAAS и европейская EGNOS, транслируют корректирующую информацию с геостационарных спутников, обеспечивая область приема, превышающую таковую при использовании наземных методов.

Поддержка ГНСС электронными устройствами осуществляется на базе навигационных приемников, имеющих различные варианты исполнения.

Компактный, экономически выгодный, не требующий согласования модуль, представленный навигационным приемником и керамической антенной.

Чип, в состав которого входят все компоненты осуществляющего навигацию приемника.

Защищенная экраном плата, включающая процессоры частот основной полосы и ВЧ интерфейса, обвязку, SAW-фильтры. Такой тип поддержки используется чаще всего.

Осуществляющие навигацию приемники имеют несколько ключевых характеристик.

Показывает количество времени, которое необходимо приемнику для поиска спутниковых сигналов и определения местоположения. Время увеличивается, если приемник долго был выключен или перевезен на значительное расстояние с момента последней активации.

Характеризует ситуацию, когда приемнику для определения местоположения необходима вся информация. Поиск занимает до 12 минут.

Характеризует условия, когда приемник обладает практически всей необходимой информацией и находит требуемое местоположение в течение минуты.

Выдача данных модулями чаще всего осуществляется с участием текстового NMEA-0183-протокола, но каждый производитель имеет и свой протокол двоичного типа, позволяющий изменять модульную конфигурацию под определенное использование или получать дополнительный функционал, а также доступ к предварительным измерениям.

Модернизированный протокол NMEA-0183 получили название стандарта NMEA-2000, где частота обновления данных о скорости, местоположении модулей равна 1 Гц, но может быть повышена до 5 или 10 Гц по необходимости.

Модуль должен отслеживать определенные динамические параметры, к которым относится, например, максимальное ускорение наблюдаемого объекта. Это позволяет найти оптимальный алгоритм, тем самым улучшая качество измерений.

Модуль должен принимать сигналы одновременно от нескольких спутников, т.е. иметь определенное количество приемных каналов. Современные приемники поддерживают от 12 до 88.

Один из главных параметров, который влияет на постоянство приема, точность определения местоположения. Определяется качеством входного МШУ, сложностью алгоритмов цифровой обработки, реализованных ранее. Средние значения чувствительности имеют размах от 143 дБм (поиск) до 160 дБм (слежение).

Выход PPS представляет собой секундную метку, точно синхронизированную с временной UTC-шкалой, имеющую значение 1 Гц.

Существуют два метода наблюдений за ГНСС, определяющие координаты в реальном времени с использованием постобработки.

Положение приемника устанавливается по пространственной засечке. При этом необходимыми критериями, которые необходимо учитывать, выступают величина псевдодальности (дальности от наблюдаемого объекта до спутника, искаженной погрешностями), а также координаты минимум 4 спутников. Измерения возможны с точностью до 3−15 метров. Требует наличия ПК, специальной программы.

Метод успешно решает геодезические задачи, требует использования двух приемников. Координаты одного из них известны, а местоположение другого требуется определить. Ведется расчет псевдодальности с передачей поправки на ровер (приемник GPS, перемещаемый по точкам во время работы).

Навигационное спутниковое оборудование — взаимосвязанная система, требующая тщательного выбора и конкретных составляющих.

В каталоге спутникового оборудования интернет-магазина «ТехноФорум» представлен широкий ассортимент различных моделей спутниковых антенн, приемников, преобразователей частоты в наличии и на заказ.