GNSS-оборудование: виды и режимы работы
В конце 20 века началась разработка спутниковых систем слежения. Сначала GNSS-оборудование создавалось для военных целей. В гражданскую сферу комплексы внедрялись постепенно с 2000 года. Сейчас приемники, сопрягаемые с сателлитами, активно используются для решения общих и специальных задач, погрешность не превышает 2–3 м.
Что такое GNSS
Приборы Global Navigation Satellite Systems представляют собой улавливатели импульсов от спутников, включая ГЛОНАСС, GPS, Beidu, QZZ, SBASS. Размещены указанные комплексы на разных орбитах вокруг Земли (либо над отдельными участками). Наземные трекеры, принимающие сигналы от нескольких сателлитов, называются многочастотными.
Предназначение ГНСС-приемников, согласно инструкции – определение заданных координат на поверхности и в околоземном пространстве. Они показывают не только местонахождение объектов, но и определяют направление движения, скорость. Рабочая техническая схема – вычисление дистанции между спутником и принимаемой антенной трекера.
Применение
Геодезические приборы с GNSS используются на начальных стадиях возведения строительных объектов, дорог и прочих инженерных коммуникаций. С их помощью точно формируют топографические карты, схемы расположения пунктов.
GNSS-оборудование
Прочие сферы применения:
НА ЗАМЕТКУ. ГНСС-оборудование увеличивает качество исследований, точность выполняемых операций. Комплексы спутникового позиционирования позволяют получить информацию при сокращении затрат.
Принцип работы
Рассматриваемый прибор действует посредством приема импульса с одного или нескольких спутников, с последующим вычислением дистанции до заданного объекта на планетарной орбите. Для определения координат нужной точки на земной поверхности применяют несколько приемников типа GNSS.
Определение координат происходит с учетом скорости радиоволнового распространения. От сателлита импульс отражается за конкретный период. Прибор учитывает время и частотность отзеркаливания сигнала. На основе полученной информации приемник «ГНСС» анализирует расстояние от спутника до антенны. Обработка данных с нескольких приборов позволяет вычислить точную географическую локацию объекта в пространстве.
К сведению. Во многих приемниках есть функция блокировки для предотвращения несанкционированного использования. При включении приборов нужно вводить код.
Основные компоненты
GNSS-приемники отличаются дизайном, дополнительными возможностями и даже гарантийным сроком. Элементы комплекта приведены в таблице.
| № п/п | Наименование | Предназначение |
| 1 | Сам прибор | Обрабатывает и запоминает сигналы спутников |
| 2 | Аккумулятор (Li-Ion) | Обеспечивает устройство энергией |
| 3 | Зарядное устройство на 2 батареи | Для подпитки АБ |
| 4 | Кабели USB, SAE, УКВ | Для подключения внешних девайсов |
| 5 | Внешняя и внутренняя антенна | Усиливают прием сигнала |
Виды GNSS-оборудования
Комплексы спутникового позиционирования делятся на бытовые и профессиональные варианты. Первые версии предназначены для применения обычными пользователями для решения повседневных задач. Профессиональная аппаратура сложнее, эффективнее, задействуется в военной отрасли, геодезии, картографии.
South Galaxy G1 Plus
Популярные системы приведены в таблице.
| Наименование | Краткое описание |
| Javad GNSS | Торговая марка является официальным дистрибьютором американского бренда. Javad –это высокоточное геодезическое оборудование и аксессуары. |
| EFT | Моноблочный GNSS-приемник, разработанный с внедрением технологий, обеспечивающих бесперебойную работу и точность в самых суровых климатических условиях. Направленность трекера ЕФТ – геодезия. |
| Prince | ГНСС-приемник с поддержкой всех значимых систем сателлитной навигации. Прибор имеет выход на 4 G и УКВ, электронный уровень. |
| Sokkia | Большинство модификаций этой серии представляют собой моноблок, объединяющий приемник и высокоточную антенну. Трекер оснащен информативной панелью, голосовым и индикаторным оповещением. |
| South Galaxy | Новая, компактная разновидность GNSS-приемников с уникальным дизайном. Особенности: многофункциональность, расширенные возможности, облегчающие труд геодезиста. |
| Spectra | Трекер с платой собственной разработки Precision, поддерживающий 240 каналов. Преимущества: цена, продуманные настройки, выдерживающие самые суровые условия эксплуатации. |
| Stonex | В линейке ГНСС-приборов «Стонекс» – оборудование для любых профильных задач и финансовых возможностей. Не составит проблем подобрать модель для кадастровых измерений и геодезических изысканий. |
| Triumph | Двухантенный ровер, который позиционируется производителем как профессиональная модель. Выдерживает тяжелые нагрузки, выдает точные данные, работает со всеми спутниковыми системами. |
| «Лейка» | В этой серии с русским меню самым популярным стал приемник RTK. Он выдает максимально точный итоговый результат онлайн. |
| R10 | Модель R10 GNSS оснащена новым процессором Trimble. В комплексе с электронным уровнем измерительные процессы ускоряются, возможности прибора увеличиваются. Интерфейс с русификацией настроек. |
Приемник
EFT и другие системы GNSS включают в комплекс принимающее устройство. Оно получает импульсы от орбитальных спутников, анализирует их, определяет расположение объекта. Приборы подразделяются на мультисистемы, роверы GPS, ГЛОНАСС, M4 и другие. Принцип работы и конструкция у большинства трекеров схожи, не считая комплектации, дополнительных функций.
К примеру, приемник Trimble R8 GNSS способен выдавать точные сведения при нечетких сигналах. Подобными характеристиками также обладает GPS Leica.
PrinCe i50
Контроллер
КПК служат для визуализации действий ГНСС-приемников в режиме RTK. Контроллер также необходим при настройке сопряжения между компонентами комплекса. КПК отличаются по двум критериям:
Спутниковая антенна
Современные антенны для станций ГНСС отслеживают орбиты с углом отклонения 3°, при этом точность центра фазы не превышает 2 мм, что минимизирует погрешности в измерениях. Дубляж любого типа принимающих элементов – до 1 мм.
КСТАТИ! Высокоточные показатели достигаются за счет многоточечного подключения, что сводит вероятность потери импульса к нулю. Антенны производительны в плане позиционирования, совместимы с большинством типов GNSS-приемников, эффективны весь срок эксплуатации.
Радиомодем
Этот компонент нужен, чтобы правильно настраивать наземную систему. Прибор представляет собой высокоточное устройство, отвечающее за создание надежного беспроводного канала связи. Он служит для трансляции данных съемок в режиме реального времени. В радиомодем входят ровер и база ГНСС. Монтируют аппарат на штативе, подсоединяют посредством кабеля, сопрягают с наружной антенной.
Примером данного устройства является приемник Прин ГНСС.
Режимы работы GNSS-оборудования
По частотности трекеры можно разделить на три группы:
Static
Метод, позволяющий получить миллиметровую точность. Применяется для передачи координат от известных пунктов к обнаруживаемым объектам. Работа осуществляется с 2 приемниками (базой и ровером). После обработки данных на компьютере выводится расположение определяемых точек. При этом сотрудники профильных компаний могут проводить измерения в разное время, с нескольких трекеров, объединив сведения в единую сеть с последующим расчетом показателей.
Stop & Go
Отличие от «Статики» — посадка ровера над каждой точкой на 3 минуты с дальнейшим перемещением. В русифицированных приемниках L1 такая программа позволяет снимать открытые пространства. Расстояние баз – не более 20 км, время стоянки – около 180 секунд.
Основной современный режим ГНСС-системы. Подходит для топографических процессов. База зависает над известными локациями, передавая правки роверу. Трекер принимает импульсы, выдает свои координаты с максимальной точностью. Погрешность – не более 10 мм.
От чего зависит точность GNSS-приемника
Точность приемника зависит от наличия на пути сигнала деревьев, зданий. Для корректной работы трекера достаточно 4 общих сателлитов. Также негативно сказывается на характеристиках оборудования увеличенное электромагнитное поле, которое создают военные объекты, промышленные комплексы, ЛЭП. Функционирование навигатора ухудшается на большой скорости транспорта.
Где купить GNSS-оборудование
Купить комплексные системы спутникового слежения можно в специализированных магазинах или через официального дилера на торговой онлайн-площадке. Необходимо обращать внимание на бренд, отзывы пользователей, предоставление гарантий. В магазинах могут действовать скидки. Цена приспособлений зависит от комплектации, функционала, категории оборудования. Стоимость бытовых моделей – от 260 000 рублей. Цены на прокат оборудования значительно ниже.
К примеру, цена приемника EFT M1 GNSS варьирует от 179 000 до 250 000 рублей. Стоимость моделей EFT M2 GNSS и EFT M3 GNSS начинается от 300 000 рублей.
GNSS-оборудование используется во многих сферах, обеспечивая ряд важных функций. Пользоваться услугой определения координат можно с ПК или мобильного устройства. Нужно скачать с сайта производителя подходящее приложение на «Виндовс» или Android, запустить, настроить его.
“Новые идеи проходят через три периода: 1) Это невозможно. 2) Это возможно, но не стоит этого делать. 3) Я всегда знал, что это хорошая идея! “ Артур Кларк, британский писатель, изобретатель и футуролог.
Большинство из нас теперь знает, что ГНСС «всегда была хорошей идеей» и что сейчас мы находимся в стадии третьей фазы.
Базовые концепции спутникового позиционирования очень легко понять. На самом деле они настолько просты, что дочь одного из наших сотрудников, учащаяся 4 класса, попросила объяснить их ее одноклассникам.
Перед началом занятия этот сотрудник подготовил следующую демонстрацию, свой вариант «теории струн». Он прикрепил картонные фигурки трех спутников к стенам и потолку класса, как показано на рис. 1. К каждому «спутнику» была протянута тонкая веревка (“струна”). Далее, отметил место на полу подвижной меткой, затем потянул веревки вниз и обозначил, где все они достигают этой метки. Веревки теперь представляли расстояния от точки до отдельных спутников. Он зафиксировал расположение метки и снял ее с пола.
Когда ученики вошли в класс, наш коллега попросил их использовать веревки, чтобы определить местоположение убранной метки. Для этого ученики опускали веревки вниз, пока их концы не сошлись в одной точке на полу. Они отметили эту точку подвижной меткой и сравнили ее с ранее отмеченным положением. Результаты были очень близки. Эта простая демонстрация показала, что, если вы знаете положение трех спутников и ваше расстояние до них, то вы можете определить свое местоположение.
В реальных условиях решение этой задачи усложняется несколькими факторами: спутники движутся, сигналы от спутников очень ослаблены к тому времени, когда они достигают поверхности Земли, так как атмосфера мешает прохождению радиосигналов, и зачастую, оборудование пользователя не такое сложное, как оборудование на спутниках.
«Чем больше вы это объясняете, тем больше я этого не понимаю». Марк Твен, американский писатель и юморист.
Мы согласны. Мы предоставим более подробное объяснение решения задачи по определению местоположения в главе 2.
Хотя вы, возможно, уже знакомы с термином «GPS» (Глобальная Система Позиционирования), возможно, вы не слышали термин «ГНСС» (Глобальная Навигационная Спутниковая Система), который используется для описания набора спутниковых систем определения местоположения, которые в настоящее время работают, или запланированы к развертыванию.
GPS (США): GPS была первой системой ГНСС. GPS была развернута в конце 1970-х годов Министерством обороны США. Система обеспечивает глобальное покрытие всего земного шара.
ГЛОНАСС (Россия): ГЛОНАСС находится в ведении правительства России. Созвездие ГЛОНАСС является глобальной спутниковой системой.
IRNSS (Индия): Индийская региональная навигационная спутниковая система. IRNSS обеспечивает обслуживание Индии и ее окрестностей.
В главе 3 мы предоставим дополнительную информацию об этих системах. По мере добавления созвездий и спутников ГНСС мы сможем более точно рассчитывать местоположение во все большем количестве мест.
ГНСС АРХИТЕКТУРА
«Будущее уже не то, чем было раньше». – Йоги Берра, бывший игрок и менеджер Высшей Бейсбольной Лиги.
Мистер Берра прав. Внедрение спутниковых систем ГНСС действительно изменило ситуацию.
Системы ГНСС состоят из трех основных компонентов или «сегментов»: космического сегмента, сегмента управления и пользовательского сегмента. Это показано на рис. 2.
Космический сегмент
Космический сегмент состоит из спутников ГНСС, находящихся на орбите около 20 000 км над землей. Каждая ГНСС имеет собственное «созвездие» спутников, расположенных на орбитах, чтобы обеспечить желаемое покрытие, как показано на рис. 3.
Каждый спутник в ГНСС созвездии передает сигнал, который идентифицирует его и предоставляет время, орбиту и статус.
В качестве иллюстрации рассмотрим следующее. Вы в центре города и звоните другу. Но Вашего друга нет дома, и поэтому Вы оставляете сообщение:
Это Лори [идентификатор]. Время 13:35. [время]. Я нахожусь на северо-западном углу 1-й авеню и 2-й улицы и направляюсь к Вам [орбите]. Я в порядке, но немного хочу пить [статус].
Ваш друг возвращается через пару минут, слушает Ваше сообщение и «обрабатывает» его, затем перезванивает Вам и предлагает встретиться в другом месте. По сути, Ваш друг произвел Вам «коррекцию орбиты».
Сегмент управления и контроля
Сегмент управления включает в себя наземную сеть главных станций управления, станций загрузки данных и станций мониторинга; в случае GPS, две главные станции управления (одна основная и одна резервная), четыре станции загрузки данных и 16 станций мониторинга, расположенных по всему миру.
В каждой системе ГНСС главная станция управления регулирует параметры орбиты спутников и бортовые высокоточные часы, когда это необходимо, для поддержания точности измерений.
Станции мониторинга, обычно устанавливаемые в обширной географической зоне, отслеживают сигналы и состояние спутников и передают эту информацию на главную станцию управления. Главная станция управления анализирует сигналы, затем передает на спутники поправки для орбиты и времени через станции загрузки данных.
Пользовательский сегмент
Пользовательский сегмент состоит из оборудования, которое обрабатывает полученные сигналы от спутников ГНСС и использует их для получения и применения информации о местоположении и времени. Оборудование варьируется от смартфонов и портативных приемников, используемых туристами, до сложных специализированных приемников, используемых для высокоточных измерений и картографических работ.
ГНСС позиционирование
«Я никогда не терялся, но признаю, что был сбит с толку в течение нескольких недель». Дэниел Бун, американский пионер и охотник.
Если у вас есть ГНСС приемник, маловероятно, что вы когда-нибудь снова потеряетесь. ГНСС позиционирование основано на процессе, называемом «трилатерацией». Проще говоря, если вы не знаете свое местоположение, но знаете свое расстояние от трех известных точек, вы можете определить свое местоположение методом линейной засечки.
Допустим, вы находитесь в 3 км от дома человека А. Все, что вам известно, это то, что вы находитесь на круге в 3 км от дома человека А, как показано на рис. 4.
Но если вы также знаете, что находитесь в 4 км от дома человека Б, вы будете иметь гораздо лучшее представление о том, где вы находитесь, поскольку на обоих кругах есть только две точки пересечения (x и y), как показано на рис. 5.
Если вам известно третье расстояние, то вы можете находиться только в одном физическом месте. Если вы находитесь на расстоянии 6 км от дома человека C, вы должны находиться в точке x, поскольку это единственное место, где встречаются все три круга (расстояния) как на рис. 6.
В главе 2 мы покажем вам, как метод трилатерации применяется в ГНСС. По сути, мы просто собираемся расширить приведенный выше пример, заменив дома спутниками. И по причинам, которые мы обозначим, мы заменим три дома на четыре спутника.
Первые невоенные применения технологии ГНСС были осуществлены в геодезии и картографии. Сегодня ГНСС используется для коммерческих приложений в сельском хозяйстве, транспорте, беспилотных транспортных средствах, управлении машинами, морской навигации и других отраслях, где эффективность может быть повышена за счет получения точной, постоянно доступной информации о местоположении и времени. ГНСС также используется в широком спектре потребительских приложений, включая автомобильную навигацию, мобильную связь, развлечения и легкую атлетику. По мере того, как технология ГНСС совершенствуется и становится менее дорогой, будет придумано и разработано все больше и больше приложений.
Помимо определения местоположения, ГНСС приемники могут предоставлять пользователям точное время, «синхронизируя» их местные часы с высокоточными часами на борту спутников. Это сделало возможным использование таких технологий и приложений, как синхронизация электрических сетей, сотовых систем, Интернета и финансовых сетей.
Подробнее о приложениях ГНСС мы поговорим в главе 8.
Пользовательское ГНСС оборудование
Основными компонентами пользовательского сегмента ГНСС являются антенны и приемники, как показано на рис. 7. В зависимости от вариантов использования, ГНСС антенны и приемники могут быть раздельными или объединены в одно устройство.
ГНСС антенны
ГНСС антенны принимают радиосигналы, транслируемые спутниками ГНСС, и передают их приемникам. ГНСС антенны доступны в различных форм-факторах, имеют разные размеры и технические характеристики. Антенна подбирается исходя из решаемых задач. В то время как большая антенна может быть подходящей для базовой станции, легкая низкопрофильная аэродинамическая антенна больше подходит для установки на самолеты или беспилотные летательные аппараты (БПЛА). На рис. 8 представлена подборка ГНСС антенн.
ГНСС приемники
Приемники обрабатывают спутниковые сигналы, полученные антенной, для расчета местоположения и времени. Приемники могут быть разработаны для использования сигналов от одного созвездия ГНСС или от более чем одного созвездия ГНСС. Как показано на рис. 9, приемники доступны во многих форм-факторах и конфигурациях, чтобы соответствовать разнообразным требованиям при использовании ГНСС.
Дополнение ГНСС
Автономное позиционирование на базе ГНСС осуществляется с точностью до нескольких метров. Точность автономных ГНСС определений и количество доступных спутников могут не соответствовать потребностям некоторых пользователей.
Были разработаны методы и оборудование для повышения точности и доступности информации о местоположении и времени ГНСС. Мы обсудим некоторые из этих методов в главе 4.
Заключение
В главе 1 представлен обзор основных концепций и компонентов ГНСС. Это краткое изложение поможет вам понять принципы ГНСС определений. Более подробное рассмотрение основных концепций ГНСС изложено в главе 2.
«Любая достаточно развитая технология неотличима от магии.» Артур Кларк, британский писатель, изобретатель и футуролог.
В этой главе мы познакомим вас с основными принципами ГНСС. Мы обсудим более сложные концепции в следующих главах.
Поначалу ГНСС может показаться волшебством, но чем больше вы ее изучаете, тем проще и элегантнее она становится. Базовая концепция ГНСС, показанная на рис. 10, иллюстрирует порядок использования ГНСС для определения времени и местоположения, вплоть до приложения конечного пользователя.
Этап 1. Спутники: спутники ГНСС вращаются вокруг Земли. Спутники очень и очень точно знают свои эфемериды орбиты (параметры, определяющие их орбиту) и время. При необходимости наземные станции управления корректируют эфемериды и время спутников.
На следующих страницах мы обсудим каждый из вышеперечисленных пунктов более подробно.
Спутники
Спутники ГНСС вращаются над атмосферой на высоте около 20 000 км над земной поверхностью. Они движутся очень быстро, со скоростью в несколько километров в секунду.
Спутники ГНСС не такие маленькие, как вы думаете. Спутники GPS последнего поколения (Block IIF) весят более 1400 кг, что немного больше веса автомобиля Volkswagen Beetle. Размеры корпуса этих спутников 2,5 м х 2,0 м х 2,2 м. На рис. 11 показано изображение корпуса GPS-спутника Block IIR, чтобы понять, насколько они велики.
В относительном вакууме космоса траектории спутников очень стабильны и предсказуемы. Как уже упоминалось, спутники ГНСС очень и очень точно знают свое время и эфемериды орбиты. Если вы запросите время у спутника GPS, он не покажет вам восемь тридцать. Он сообщит вам 8: 31.39875921.
В спутниках GPS последнего поколения используются рубидиевые часы, точность которых составляет ± 5 на 10−11. Эти часы синхронизируются более точными наземными цезиевыми часами. Вам нужно будет наблюдать за одними из этих цезиевых часов более 100 000 лет, чтобы увидеть, как они добавляют или теряют секунду. Для сравнения: если у вас кварцевые часы, они, вероятно, будут иметь точность ± 5 на 10−6 и будут терять около секунды каждые два дня.
Между прочим, если бы всем приемникам ГНСС потребовался бы рубидиевый стандарт, жизнеспособность ГНСС быстро упала бы. Позже в этой главе мы опишем элегантный способ, которым системы ГНСС «передают» точность своих спутниковых часов приемникам ГНСС.
Вам может быть интересно, почему время имеет такое большое значение в системах ГНСС. Это связано с тем, что время, необходимое для прохождения сигнала ГНСС от спутников к приемникам, используется для определения расстояний (диапазонов) до спутников. Требуется точность, потому что радиоволны распространяются со скоростью света. За одну микросекунду (миллионную долю секунды) свет проходит 300 метров. За наносекунду (миллиардную долю секунды) свет проходит 30 см. Небольшие ошибки во времени могут привести к большим ошибкам в положении.
GPS была первой запущенной группировкой ГНСС. При стоимости 12 миллиардов долларов это самая точная навигационная система в мире.
Тем не менее, доступ к нескольким группировкам особенно выгоден там, где прямая видимость некоторых спутников затруднена, как это часто бывает в городских или покрытых растительностью районах.
Спутниковые орбиты
Спутники ГНСС вращаются над земной атмосферой. Спутники GPS и ГЛОНАСС находятся на орбите на высоте около 20 000 км. Спутники BeiDou и Galileo вращаются немного выше, около 21 500 км для BeiDou и 23 000 км для Galileo. Орбиты ГНСС, которые являются более или менее круговыми, очень стабильными и предсказуемыми, относятся к категории СОО (средней околоземной орбиты).
На 20 000 км сопротивление не так велико, но гравитационные эффекты и давление солнечной радиации действительно немного влияют на орбиты ГНСС, и их иногда приходится корректировать. Пока орбита корректируется, статус спутника ГНСС изменяется на «неработающий», чтобы пользовательское оборудование знало, что не следует использовать его сигналы.
Спутниковые сигналы
«Все должно быть изложено так просто, как только возможно, но не проще». Альберт Эйнштейн.
Спутниковые сигналы ГНСС сложны. Для описания этих сигналов требуются не менее сложные слова, такие как псевдослучайность, корреляция и множественный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA). Чтобы объяснить эти концепции ГНСС, давайте сначала обсудим спутниковые сигналы GPS.
Прежде всего, GPS был разработан как система определения местоположения для Министерства обороны США. Чтобы обеспечить высокоточную информацию о местоположении для военных приложений, в систему была заложена большая сложность, чтобы сделать ее безопасной и невосприимчивой к помехам и помехам. Хотя военные и гражданские компоненты GPS разделены, некоторые из технологий, используемых в военном компоненте, были применены к гражданскому компоненту.
С тех пор, как в декабре 1993 года была достигнута первоначальная эксплуатационная способность, GPS стала доступна гражданским пользователям, у которых другие требования к доступности услуг, точности определения местоположения и стоимости.
Частотные характеристики (параметры, описывающие частоту, амплитуду и ширину сигналов) для каждой системы ГНСС немного отличаются. Мы опишем эти параметры более подробно в главе 3. Однако, чтобы проиллюстрировать концепции ГНСС, мы кратко опишем частотную и сигнальную схему, используемую GPS, которая показана на рис. 12. Концептуально это не сильно отличается от частотных параметров для кабельных или вещательных телеканалов.
Как показано на рис. 12, спутники GPS передают информацию на частотах L1, L2 и L5. Вы можете спросить: «Как все спутники GPS могут передавать на одинаковых частотах?»
GPS работает по той же схеме передачи, которая используется в CDMA.
Приемники знают псевдослучайный код для каждого спутника. Это позволяет приемникам коррелировать (синхронизировать) с сигналом CDMA для конкретного спутника. Сигналы CDMA очень слабые, но благодаря этой кодовой корреляции приемник может восстанавливать сигналы и содержащуюся в них информацию.
Чтобы проиллюстрировать это, рассмотрите возможность послушать человека в шумной комнате. Происходит много разговоров, но каждый разговор ведется на другом языке. Вы можете понять человека, потому что знаете язык, на котором он говорит. Если вы знаете несколько языков, вы также сможете понять, что говорят другие люди. CDMA во многом похож на этот случай.
Возможно, вам будет интересно узнать, что Хеди Ламарр, американская учёная и актриса австрийского происхождения, стала соавтором ранней формы коммуникационных технологий с расширенным спектром. 11 августа 1942 года ей и ее коллеге Джорджу Антейлу был выдан патент США 2292387. Невероятно, но Ламарр сменила карьеру и сняла 18 фильмов с 1940 по 1949 год, но концепции, описанные в ее патенте, способствовали развитию современных средств связи с расширенным спектром.
GPS работает в диапазоне частот, называемом L-диапазоном, частью радиоспектра от 1 до 2 ГГц. L-Band был выбран по нескольким причинам, в том числе:
• Упрощение конструкции антенны. Если бы частота была намного выше, пользовательские антенны пришлось бы делать более сложными.
• За исключением вакуума, скорость света ниже на более низких частотах, о чем свидетельствует разделение цветов в свете призмой. Вы могли подумать, что скорость света постоянна и составляет 299 792 458 метров в секунду. Фактически это 299 792 458 метров в секунду в вакууме, но через воздух или любую другую среду это меньше.
• Схема кодирования требует высокой полосы пропускания, которая была доступна не во всех частотных диапазонах.
• Полоса частот была подобрана таким образом, чтобы минимизировать влияние погоды на распространение сигнала GPS.
На частоте L1 спутник передает навигационное сообщение, код C / A грубого обнаружения (общедоступный) и зашифрованный кодовый сигнал (P), называемый кодом P (Y) (ограниченного доступа).
Навигационное сообщение представляет собой сообщение с низкой скоростью передачи данных, которое включает следующую информацию:
• Состояние и здоровье спутников. Если спутник неисправен или его орбита корректируется, его нельзя будет использовать. Когда это произойдет, спутник передаст сообщение о нерабочем состоянии.
• Данные спутниковых эфемерид, которые позволяют приемнику вычислить положение спутника. Эта информация точна до большого количества десятичных знаков. Приемники могут точно определить, где находился спутник, когда передавал свое время.
• Альманах, содержащий информацию и статус всех спутников GPS, чтобы приемники знали, какие спутники доступны для отслеживания. При запуске приемник восстановит этот «альманах». Альманах состоит из приблизительной информации об орбите и состоянии каждого спутника в группировке.
Код P (Y) предназначен для использования в военных целях. Он обеспечивает лучшее подавление помех, чем код C / A, что делает военную часть GPS более надежной, по сравнению с гражданский частью GPS. На частоте L2 также передается код P (Y), а на новых спутниках GPS передается код C / A (называемый L2C), предоставляемый гражданским пользователям второй общедоступный код. Хотя информация в коде P (Y) доступна не всем, умные люди придумали способы использования несущей частоты и кода L2, не зная, как они закодированы.
Хотя схема передачи GPS сложна, она была выбрана по многим веским причинам:
• Приемники GPS могут отслеживать очень слабые сигналы с помощью очень маленьких антенн. Это снижает стоимость приемника.
• Многочастотный режим позволяет ввести ионосферную поправку, поскольку величина ионосферной задержки радиосигнала меняются с частотой. Система GPS устойчива к помехам и интерференции спутниковых сигналов.
• Безопасность. Сигналы, доступные и используемые военными приложениями, недоступны для гражданского населения.
Другие системы ГНСС концептуально похожи на GPS, но есть отличия. Мы предоставим больше информации об этих различиях в главе 3.
Спутниковые ошибки
Спутниковые ошибки включают ошибки эфемерид и часов. Эти ошибки очень и очень малы, но имейте в виду, что за одну наносекунду свет проходит 30 сантиметров.
Время жизни спутников
Спутники ГНСС не вечны. Иногда их заменяют на новые модели, в которых используют новые сигналы или улучшенные часы. Иногда спутники ГНСС выходят из строя и, если их невозможно восстановить, то их навсегда отключают.
Спутниковые поправки
Наземные станции непрерывно контролируют спутники и регулярно корректируют время и информацию об орбите, чтобы обеспечить высокую точность передаваемой информации. Если орбита спутника выходит за пределы эксплуатационных ограничений, он может быть выведен из эксплуатации, а его орбита скорректирована с помощью небольших ракетных ускорителей.
В нашем случае ГНСС радиосигналы покинули спутниковую антенну и несутся по земле со скоростью света.
Сигналы ГНСС проходят через вакуум космоса, а затем через различные слои атмосферы к Земле, как показано на рис. 15.
Чтобы получить точное положение и время, нам нужно знать линейное расстояние от спутника до пользовательского оборудования (который мы называем «дальностью» до спутника). Как показано на рис. 15, радиоволны не распространяются по прямому пути. Свет распространяется по прямой только в вакууме или через идеально однородную среду. Подобно тому, как соломинка кажется «согнутой» в стакане с водой, радиосигналы со спутника изгибаются при прохождении через земную атмосферу. Этот «изгиб» увеличивает время прохождения сигнала от спутника до приемника. Как мы объясним разделе 4, расстояние до спутника рассчитывается путем умножения времени распространения (которое, как вы помните, представляет собой время, необходимое сигналу для прохождения от спутника до приемника) на скорость света. Ошибки во времени распространения увеличивают или уменьшают вычисленную дальность до спутника. Между прочим, поскольку вычисленное расстояние содержит ошибки и не совсем соответствует фактическому расстоянию, его называют «псевдодальностью».
Атмосферу рассматривают как состоящую из нескольких слоев. Слой атмосферы, который больше всего влияет на передачу сигналов GPS (и других ГНСС), это ионосфера, располагающаяся на расстоянии от 70 до 1000 км над земной поверхностью.
Ультрафиолетовые лучи солнца ионизируют молекулы газов в этом слое, высвобождая свободные электроны. Эти электроны влияют на распространение электромагнитных волн, в том числе на передачу спутникового сигнала GPS. Ионосферные задержки зависят от частоты, поэтому при вычислении дальности с использованием радиосигналов L1 и L2 влияние ионосферы может быть практически устранено приемником.
Другой слой атмосферы, который влияет на передачу сигналов GPS, это тропосфера, самый нижний слой атмосферы Земли. Толщина тропосферы варьируется, от 17 км в средних широтах, до 20 км ближе к экватору, и она более тонкая на полюсах. Задержка в тропосфере зависит от температуры, давления и относительной влажности. Радиосигналы L1 и L2 в тропосфере одинаково задерживаются, поэтому влияние тропосферной задержки не может быть определено так легко, как может быть вычислена ионосферная задержка. Однако можно смоделировать тропосферу, а затем спрогнозировать и компенсировать большую часть задержки.
Часть энергии сигнала, передаваемого спутником, отражается на пути к приемнику. Это явление называется «многолучевым распространением». Отраженные сигналы задерживаются по сравнению с прямым сигналом и, если они достаточно сильны, могут мешать полезному сигналу. Были разработаны методы, при которых приемник учитывает только самые ранние поступающие сигналы и игнорирует многолучевые сигналы, которые поступают позже. На первых порах GPS большинство ошибок происходило из-за задержек в ионосфере и тропосфере, но теперь больше внимания уделяется корректированию эффектов многолучевого распространения в интересах постоянного улучшения характеристик ГНСС.
Как мы уже указывали, приемникам необходимо принять сигналы как минимум от четырех спутников для определения местоположения. Использование большего количества спутников, если они доступны, улучшит определение местоположения; однако способность приемника использовать дополнительные спутники может быть ограничена его вычислительной мощностью. Способ, которым приемник использует дополнительные диапазоны, обычно является интеллектуальной собственностью производителя.
В зависимости от реализации, пользовательское оборудование может использовать сигналы от нескольких спутников в разных созвездиях ГНСС.
Чтобы определить точку (положение) и время, приемники ГНСС должны иметь возможность отслеживать как минимум четыре спутника. Это означает, что между антенной приемника и четырьмя спутниками должна быть прямая видимость.
Приемники различаются в зависимости от того, спутники каких созвездий ГНСС они отслеживают, и сколько спутников они могут отслеживать одновременно.
Для каждого отслеживаемого спутника приемник определяет время распространения сигнала. Это возможно из-за их псевдослучайного характера. Чтобы проиллюстрировать это, приводим пример на рис. 17, на котором показана передача псевдослучайного кода, состоящего из нулей и единиц.
Поскольку приемник знает псевдослучайный код для каждого спутника, он может определить время получения кода от конкретного спутника. Таким образом, он может определить время распространения сигнала.
Важность выбора антенны
Антенна действует как пространственный и частотный фильтр, поэтому выбор правильной антенны для приемника ГНСС имеет решающее значение для оптимизации производительности. Антенна должна соответствовать возможностям и характеристикам приемника, а также соответствовать размеру, весу, условиям окружающей среды и механическим характеристикам для предполагаемого применения.
Факторы, которые следует учитывать при выборе антенны ГНСС, включают:
1. Принимаемые созвездия и сигналы
У каждой группировки ГНСС есть свои собственные частоты сигнала и полосы пропускания. Антенна должна покрывать частоты сигнала, передаваемые созвездием, и полосу пропускания, поддерживаемую приемником ГНСС.
2. Коэффициент усиления антенны
3. Элементное усиление
Коэффициент усиления элемента определяет, насколько эффективен каждый антенный элемент при приеме сигналов. В любой сигнальной цепи общее качество зависит только от самого слабого звена, поэтому элемент антенны с низким коэффициентом усиления может быть компенсирован повышенным коэффициентом усиления малошумящего усилителя. Однако отношение сигнал / шум (С / Ш) ухудшается.
4. Ширина луча антенны и спад усиления
Коэффициент падения усиления зависит от ширины луча антенны, и определяет, насколько усиление изменяется в зависимости от угла возвышения антенны. С точки зрения антенны, спутники поднимаются от горизонта к зениту и опускаются обратно к горизонту. Изменение усиления между зенитом (прямо над головой) и горизонтом известно как спад усиления. Различные технологии, применяемые в антеннах, имеют разные характеристики спада усиления.
5. Стабильность фазового центра.
Фазовый центр антенны, это точка, в которой собираются сигналы, передаваемые со спутников. Когда приемник сообщает о местоположении, это местоположение, по сути, является местоположением фазового центра антенны.
Электрический фазовый центр любой антенны будет изменяться в зависимости от положения источника сигнала, который она принимает, на несколько миллиметров. Когда спутники ГНСС движутся по небу, электрический фазовый центр принимаемого сигнала обычно перемещается вместе с положением спутника, если только антенна не была тщательно спроектирована для минимизации смещения и вариации фазового центра. Смещение фазового центра измеряется относительно базовой точки антенны как разница между механическим центром вращения антенны и фазовым центром. Смещение также зависит от частоты, что означает, что для каждой частоты сигнала может быть разное смещение фазового центра. Вариация фазового центра определяет, насколько сдвигается фазовый центр относительно углов положения спутника.
Многие пользователи могут согласиться с точностью менее метра, поэтому эти небольшие изменения фазового центра вызывают незначительную ошибку определения положения. Но если вам требуется высокая точность, например, приемники с кинематикой в реальном времени (RTK), которые могут обеспечить точность определения положения 2–4 см, ошибка в несколько миллиметров фазового центра может привести к ошибке 10–15% в полученных координатах. Для приложений съемки в режиме RTK используют геодезические антенны, обеспечивающие высокую стабильность фазового центра и его низкой вариации.
6. Применение
Антенна должна соответствовать рабочим характеристикам, экологическим, механическим и эксплуатационным требованиям предполагаемого применения. Например, антенны ГНСС, используемые в авиации, в идеале должны быть сертифицированы федеральным управлением авиации США (TSO / FAA) и быть достаточно прочными, чтобы выдерживать экстремальные температуры и вибрации корпуса. Антенны, используемые при проведении полевых съемок, должны выдерживать грубое обращение геодезистов, включая возможное падение с высоты.
В таблице 1 приведены некоторые основные функции, необходимые для антенны ГНСС в зависимости от области их применения.
Если бы мы знали точное положение трех спутников и точное расстояние до каждого из них, мы могли бы геометрически определить свое местоположение. Мы предположили, что нам нужны известные расстояния до четырех спутников для определения местоположения. В этом разделе мы объясним, почему это так, и как на самом деле работает ГНСС позиционирование.
Для каждого отслеживаемого спутника приемник вычисляет, сколько времени потребовалось спутниковому сигналу, чтобы достичь его, следующим образом:
Время распространения, это разница между моментом временем, когда сигнал от спутника достиг приемника, и временем в момент отправки сигнала со спутника.
Умножение значения времени распространения на скорость света и дает расстояние до спутника.
Для каждого отслеживаемого спутника приемник теперь знает, где он находился во время передачи (потому что спутник передает эфемериды своей орбиты), и он определил расстояние до спутника, когда он был там. Используя трилатерацию, метод геометрического определения положения объекта, аналогично триангуляции, приемник вычисляет свое местоположение.
Чтобы помочь нам понять смысл трилатерации, мы представим эту технику в двухмерном пространстве. Приемник вычисляет расстояние до спутника A. Как мы уже упоминали, он делает это, измеряя количество времени, которое потребовалось для сигнала от спутника A, чтобы достигнуть антенны приемника, и умножая это время на скорость света. Спутник A сообщил свое местоположение (определенное по эфемеридам спутниковой орбиты и времени) приемнику, поэтому приемник знает, что он находится где-то на круге с радиусом, равным дальности и с центром, заданным положением спутника A, как показано на рис. 19. В трехмерном пространстве нам бы пришлось показывать расстояния в виде сфер, а не кругов.
Приемник также определяет свою дальность до второго спутника, Спутника B. Теперь приемник знает, что он находится на пересечении двух кругов в точках 1 или 2, как показано на рис. 20.
Вы можете сделать вывод, что для окончательного определения вашего местоположения в точке 1 или точке 2 потребуется дальность до третьего спутника. Но одна из точек чаще всего может быть исключена как невозможная, потому что, например, она находится в космосе или в центре Земли. У вас также может возникнуть соблазн расширить нашу иллюстрацию до трехмерной и предположить, что для решения задачи позиционирования необходимы только три расстояния. Но, как мы обсуждали ранее, необходимы четыре дальности. Почему?
Оказывается, часы приемника не так точны, как часы находящиеся на борту спутников. Большинство из них основаны на кристаллах кварца. Помните, мы говорили, что эти часы имеют точность всего точность ± 5 на 10−6. Если мы умножим это на скорость света, получим точность ± 1500 метров. Когда мы определяем дальность до двух спутников, наше вычисленное положение будет отличаться на величину, пропорциональную неточности часов нашего приемника, как показано на рис. 21.
Мы хотим определить нашу фактическую позицию, но, как показано на рис. 21, неточность времени приемника вызывает ошибки дальности, которые приводят к ошибкам местоположения. Получатель знает об ошибке, он просто не знает ее размера. Если мы теперь вычислим расстояние до третьего спутника, он не будет пересекать вычисленное положение, как показано на рис. 22.
Теперь об одном из гениальных приемов, используемых в определении местоположения по ГНСС.
Приемник знает, что причина того, что псевдодальности трех спутников не пересекаются, заключается в том, что его часы не очень хороши. Приемник увеличивает или уменьшает поправку в свои часы до тех пор, пока псевдодальности трех спутников не сойдутся в одной точке, как показано на рис. 23.
Высокая точность спутниковых часов теперь доступна и часам приемника, что и устраняет ошибку часов приемника при определении местоположения. Приемник помимо своего точного положения, знает и очень точное время. Это открывает возможности для широкого круга применений, о чем мы поговорим ниже.
Вышеупомянутый метод показывает, как в двумерном представлении можно устранить ошибки часов приемника и определить положение с использованием дальности до трех спутников. Когда мы расширяем эту технику до трехмерного пространства нам нужно добавить дальность до четвертого спутника. По этой причине для определения местоположения требуется прямая видимость как минимум четырех спутников ГНСС.
Источники ошибок ГНСС
Приемник ГНСС вычисляет местоположение на основе данных, полученных со спутников. Однако существует множество источников ошибок, которые, если их не исправить, приводят к неточности расчета положения. Некоторые из этих ошибок, например, вызванные преломлением спутникового сигнала при его прохождении через ионосферу и тропосферу, вызваны естественными причинами, а некоторые, как например методы избирательной доступности (SA), вводятся специально.
Тип ошибки и способ ее устранения важны для расчета точного положения, поскольку уровень точности полезен только в той степени, в которой измерениям можно доверять. Эта книга посвящает этой важной теме три главы. В главе 4 представлены основные источники ошибок ГНСС, а в главе 5 обсуждаются методы устранения ошибок и их влияние на точность и другие факторы производительности. В главе 8 представлено оборудование и сетевая инфраструктура, необходимые для генерации и приема данных коррекции.
Снижение точности из-за взаиморасположения спутников относительно антенны (DOP)
Геометрическое расположение спутников в том виде, в котором они представлены приемнику, влияет на точность расчетов местоположения и времени. Приемники в идеале должны быть спроектированы для использования сигналов от доступных спутников таким образом, чтобы свести к минимуму это так называемое «снижение точности».
Чтобы проиллюстрировать DOP, рассмотрим пример, показанный на рис. 24, где отслеживаемые спутники сгруппированы в небольшой области неба. Как видите, сложно определить, где пересекаются дальности. Местоположение размывается на область пересечения дальностей, область, которая увеличивается из-за неточностей измерения расстояний (что можно рассматривать как «утолщение» линий).
Как показано на рис. 25, добавление измерения дальности к спутнику, который отделен от скопления по углу, позволяет нам более точно определить точку.
