top of page
Поиск
  • Фото автораSV-VELOR

Как работает GPS / GNSS? Все, что нужно знать о Глобальной Системе Спутникового Позиционирования

Обновлено: 13 июн. 2022 г.

Что такое GNSS?

Глобальная навигационная спутниковая система (от англ. – Global Navigation Satellite System) GNSS - это совокупность группировок спутников (GPS, ГЛОНАСС, Galileo, Beidou), используемых для определения местоположения в любой точке земной поверхности с применением наземных специальных навигационных или геодезических приемников.


Космический сегмент

Состоит из множества навигационных спутников которые фактически только ретранслируют информацию обратно на Землю.


Наземный сегмент

Включает в себя сеть следящих станций (базовых станций), которые наблюдают за спутниками на орбите и выполняют корректировку их положения.


Пользовательский сегмент

Включает все приемники (роверы, планшеты, туристические навигаторы, военную технику) выполняющие определение своего местоположения.


В настоящее время существует несколько ГНСС:
  • GPS (global position system) - управление которой осуществляется правительством США;

  • ГЛОНАСС (глобальная навигационная спутниковая система)- Российская спутниковая система;

  • GALILEO - европейская спутниковая система;

  • BEIDOU - спутниковая навигационная система под управления правительства Китая.

Все спутниковые навигационные системы отличаются сигналом, количеством спутников, одновременно находящихся на орбите, орбитальными параметрами полета спутников. Практически все спутники передают сигналы как гражданского (открытые сигналы), так и военного назначения (закрытые сигналы).


Спутниковые системы (Glonass, Beidou, Galileo)

Важнейший компонент навигационного спутника - это точнейшие атомные часы, которые не сбиваются со временем. Орбиты навигационных спутников построены так чтобы вне зависимости от времени и места на земле можно было наблюдать как минимум четыре спутника одной из группировок.

Спутник


Навигационный спутник транслирует данные по обычному радиоканалу на определенных частотах L1, L2, L3, B1, B2.. - правда знакомые буквы, встречающиеся в любой брошюре GNSS приёмника?

Каждый спутник транслирует полный пакет данных примерно 12,5 минут. Спутники систем GPS и ГЛОНАСС передают данные циклически с интервалом 30 секунд. Спутники системы GPS передают данные альманаха циклически с интервалом 12,5 минут; спутники системы ГЛОНАСС передают данные альманаха циклически с интервалом 2,5 минут.

Кстати по-научному этот пакет даных называется эфемериды

Но разумеется никто не будет ждать 3-12 минут для того чтобы определить свою координату. Именно поэтому информация "распилена" на маленькие кусочки и минимально необходимое количество информации может прийти за 30-60 секунд в зависимости от фазы, на которую вы попали.

Кстати, это и есть холодный старт - время до получения первого фиксированного значения. Который в различных приемниках составляет от 30 секунд до 1 минуты.


холодный старт - время до получения первого фиксированного значения

Время это вообще очень важная штука в GNSS

Определение местоположения координат очень плотно завязано на времени.

От точности определения времени, зависит точность определения координат.

Вращение Земли постоянно немного замедляется. Для того чтобы среднесуточное время не разнилось на часах больше чем на 1 секунду, Международная служба вращения земли периодически вводит корректировочные високосные секунды. То есть поправки по результатам практических наблюдений. Именно поэтому на часах можно наблюдать 60ю секунду и это не будет ошибкой. Естественно современные ГНСС приемки знают этот факт и выполняют коррекции времени автоматически. Хотя еще пару лет назад было необходимо делать специальную прошивку приемника для сброса времени.


И все-таки как же определяются координаты?

как же определяются координаты

Для определения координат классическим методом мы используем пункты или реперы с уже известными координатами, засекаясь на них, мы определяем положение других объектов. Например, если мы точно знаем, что в 23 километрах от нас пункт, то мы можем оказаться в любой точке на этой окружности (рисунок А), но если мы точно уверены, что ровно в 30 километрах от нас второй пункт, мы оказываемся в одной из двух точек пересечения этой окружности (рисунок Б) и, наконец, третий ориентир дает нам однозначное решение местоположения (рисунок С). Пересечение трех сфер и дает нам плановую отметку, которая в контроллере отображается буквой H.


Для определения высотной составляющей нам необходимо окунуться в трехмерные реалии. Добавляем 4 известную точку (рисунок D), только находиться она будет в космосе, на высоте примерно 20 тысяч километров. Но как можно определить точное расстояние до спутников, которые находятся так высоко, да еще и движутся с непрерывной скоростью: примерно 4 км/с? Все предельно очевидно, нужно просто остановить время.


Спутники, как и звезды, летают по своим орбитам циклично по расписанию, и поэтому зная точное время можно предсказать местоположение спутника на любой момент времени, но поскольку спутник движется по своей орбите со скоростью примерно 14 тыс.км/час, точность определения местоположения спутников в секундном интервале будет размазанной почти на 4 километра. Даже если взять тысячную долю секунды за условный момент засечки, точность местоположения спутника получится плюс минус 5 метров. Минимально возможный момент засечки называется эпохой наблюдения.


расстояние от Земли до Луны

Сейчас мы знаем, что радиоволна распространяется со скоростью света в вакууме и равна - 299 792 458 м/с. Преодолевая около 20 тысяч километров от спутника до приемника радиосигнал проходит через ионосферу и плотной слои атмосферы и из-за этого задерживается на несколько сотых долей секунды. Самой простой формулой мы получаем точное расстояние до спутника.

S=V*t

S- псевдодальность;

V- скорость распространения электромагнитной волны;

t- время распространения электромагнитной волны.


Таким образом определив расстояние до нескольких спутников мы можем определить

местоположение уже классическими методом, описанным выше. И как следствие чем больше спутников тем надежнее решения и лучше коррекция по времени.


А как получать местоположение быстро и точно?

RTK съемка

RTK (Real-Time Kinematic - кинематика в реальном времени) - технология, обеспечивающая сантиметровую точность координат в реальном времени.

Используются два приемника: первый (базовая станция) устанавливается на выбранном пункте с точно известными координатами, в то время как другой - ровер используется непосредственно для измерений.


Основной принцип работы референцных станций

Базовые станции бывают:

  • пользовательские собственные базы с UHF (УКВ) радиомодемом, или GSM модемом для передачи поправок.

  • принадлежащие третьим лицам. Сеть базовых станций, предоставляющие данные роверам через GSM модем.

Для передачи RTK поправок базового приемника (базы) к роверу должен быть установлен канал передачи данных.

Использование УКВ (UHF) диапазона

Исторически раньше всего на службе RTK использовались радиомодемы УКВ-диапазона. Корнями этот способ связи уходит в береговые сервисы для морской навигации и до сих пор незаменим в регионах, не обеспеченных надежным покрытием сотовой связи. В настоящее время используются устройства, работающие в основном в диапазоне частот 400-470 МГц с мощностью передачи от 0.5 до 30-40 Вт.

Внимание! Мощность радиомодема от 2 Вт требует получения специальных разрешений в РУП "БелГИЭ"

Приёмник может иметь встроенный в свой корпус маломощный радиомодуль и компактную УКВ-антенну. В зависимости от условий распространения радиосигнала на объекте дальность обслуживания может составлять от сотен метров до нескольких километров.

Мощные радиомодемы – это отдельные устройства с радиаторами охлаждения и самостоятельными аккумуляторными блоками питания. В комплект таких модемов входят антенны различных габаритов и конструкций, устройства для их установки, кабели различной длины, сечения и назначения, а также вспомогательные аксессуары. На равнинной открытой местности мощные радиомодемы обеспечивают дальность обслуживания до нескольких десятков километров.

Практически все радиомодемы умеют работать в режиме ретранслятора (репитера), что позволяет дополнительно расширить зону обслуживания RTK, а также обеспечить работу на территории со сложным рельефом или при наличии препятствий.



Использование Интернет соединения (GPRS)

Следующим шагом стало развитие Интернет-технологий связи. У базовых приемников появилась возможность вещать корректирующую информацию в сеть Интернет. А для подвижных приёмников стал доступен многопользовательский доступ к этим данным. В отличие от GSM-связи «точка-точка» протокол NTRIP предоставляет множеству пользователей индивидуальные идентификаторы (логины) и пароли для безопасного RTK-подключения к источнику «поправок» в сети Интернет.

Выход в Сеть обеспечивается посредством SIM-карт сотовых операторов, а малый трафик и доступные тарифы гарантируют меньшие затраты на связь в геодезическом производстве.

Возможность организации взаимодействия между базовыми приёмниками позволила развивать сетевые RTK-технологии, объединяя базовые станции в пределах целых регионов. Это позволило обеспечить высокоточными геодезическими измерениями большие территории с однородной системой отсчета.

GSM канал используется в уникальной технологии передачи поправок APIS, разработанной CHCNav. Ровер подключается по GSM каналу к базе (обычно находится в пользовании клиента), используя адрес сервера, логин и пароль. Дальность действия поправок составляет до 100 км, что позволяет одной организации производит работы сразу несколькими приемниками (планшетами).

Сети базовых станций. Технология VRS

О сетях постоянно действующих базовых станций (ПДБС) стоит поговорить отдельно. Если такая сеть присутствует в регионе предстоящих работ, то это мощный инструмент для использования технологий RTK. Базовые станции (БС) – это комплекты спутниковых приёмников модульной конструкции, стационарно расположенные на охраняемых объектах, например, офисных зданиях, где им обеспечены хорошие условия обзора небосвода и стабильный выход в сеть Интернет. Проект сети (места установки одиночных базовых станций) разрабатывается заранее с соблюдением геометрических требований к ее конфигурации. Кроме обеспечения коммуникационных возможностей базовая станция должна быть оснащена специальным сетевым программным обеспечением.

Являясь одним из компонентов разностного спутникового решения стационарная базовая станция позволяет пользователю, имея лишь одиночный комплект GNSS-приёмника (ровер), успешно выполнять широкий спектр высокоточных геодезических работ на расстояниях в десятки километров от неё.


Однако, имеется важный нюанс...

Сама по себе одиночная базовая станция, передавая корректирующую информацию, обеспечивает лишь одну составляющую RTK-технологии – точное позиционирование ровера относительно точки установки антенны БС. Если эта точка изначально не привязана относительно местной опорной сети геодезических пунктов в соответствующей системе координат, то и координаты ровера данной системе отсчета соответствовать не будут.

Базовые станции будучи объединены в сеть позволяют максимально гибко использовать возможности RTK, обслуживая роверы на минимальном их удалении от баз. Венцом сетевых возможностей является технология VRS – виртуальных базовых станций. Станции сети объединены каналами связи и управляются из единого центра. Специальное сетевое программное обеспечение на основе данных приёмников сети может смоделировать результаты измерений в любом месте территории, охваченной сетью, и сформировать поток «поправок» от данной точки. Ровер, передав сведения о своём местоположении, получает решение от смоделированной рядом виртуальной БС. Это гарантирует высокую точность работы в любом месте сети.



Например в Беларуси, Государственное предприятие "Белгеодезия" передает корректирующую информацию - "поправки" по GSM каналу, используя технологию NTRIP. Важен тот факт, что это единственная метрологически аттестованная сеть базовых станций. Она включает в себя 98 постоянно функционирующих базовых станций.

В ровер вводятся данные IP адреса сервера, уникальные логин и пароль. При таком подключении точность измерений в любой точке Беларуси составляет до 2 см.



 

Официальный дистрибьютор CHCNav на территории Республики Беларусь

ООО "СВ ВЕЛОР"



2 895 просмотров0 комментариев

Похожие посты

Σχόλια


bottom of page