Глобальні системи позиціонування

Існують дві глобальні системи позиціонування – Global Positioning Systems (GPS). У Радянському Союзі створено ГЛОНАСС – Глобальну навігаційну супутникову систему. У США створено американську NAVSTAR - Navigation System with Timing and Ranging - навігаційну систему, засновану на вимірі часу і дальності. Американська система працює в операційному режимі, тобто вона повною мірою технічно та комерційно реалізована. Геодезист або навігатор, який бажає стати користувачем цієї системи, може придбати апаратуру та програмне забезпечення (soft). Приймачі та програмне забезпечення ГЛОНАСС поки що не настільки доступні. Тут розглянута GPS NAVSTAR як більш доступна користувачеві-геодезисту. Для стислості будемо далі називати її, як це роблять все, просто GPS. Про ГЛОНАСС написано у виданій МДУ книжці Б.Б. Серапінаса [25] та у книзі [28]. Офіційна інформація знаходиться за адресою:

GPS NAVSTAR GLOBAL Positioning System

Термін позиціонування означає не тільки місцезнаходження, тобто координат об'єкта. Разом із координатами визначають вектор швидкості його руху. Простіше кажучи, визначають напрямок та швидкість руху об'єкта. Координати та складові швидкості задають вектор стану об'єкта. Таким об'єктом може бути судно, корабель, літак, вертоліт, супутник, автомобіль, піший оператор або інший рухомий носій. Перед розробниками системи ставилося певне завдання. Система повинна забезпечувати визначення вектора стану користувача у будь-який час, у будь-якій точці земної поверхні та з точністю, необхідною користувачеві. Досвід показує, що це завдання вирішено.Дотримуючись інформації, що міститься в роботі [6], наведемо дані про історію створення GPS.

Система знаходиться у веденні Офісу Об'єднаної Програми – Joint Program Offise (JPO). Офіс розташований у Космічному підрозділі командних систем військово-повітряних сил США – Air Force Systems Command Space Division. Підрозділ знаходиться на базі військово-повітряних сил США – Air Force Base (AFB) – у Лос-Анджелесі. 1973 року JPO отримав наказ Міністерства Оборони США «встановити, розробити, тестувати, освоїти та розгорнути супутникову систему позиціонування». NAVSTAR є наслідком виконання цього наказу. Загальноприйняте визначення системи звучить так. Глобальна система позиціонування (GPS) NAVSTAR є всепогодною супутниковою навігаційною системою, розробленою Міністерством Оборони США з тим, щоб відповідати вимогам збройних сил щодо точного визначення місця розташування об'єктів, швидкості їх переміщення, а також точної часової прив'язки в єдиній системі відносності в будь-якій точці або навколишнього простору у безперервному режимі. Геодезисти одразу зрозуміли, що цю військову навігаційну систему можна ефективно використовувати у мирних геодезичних цілях.

Цікаво, що до того, як було розроблено навігаційний кодовий приймач GPS, геодезисти встигли розробити та створити геодезичний фазовий приймач Макрометр. Супутникова система дорожча за систему наземного базування. Супутники необхідно створювати, запускати, відстежувати, оберігати і при виробленні ресурсу - ліквідувати. На витрати йдуть тому, що супутникова система поєднує глобальність із високою точністю позиціонування.Справді, існують глобальні наземні системи, але вони, будучи довгохвильовими або наддовгохвильовими, визначають місце розташування судна у відкритому океані з помилкою біля милі. Існують ультракороткохвильові високоточні системи наземного базування, але вони визначають координати об'єкта лише в межах прямої видимості, тобто на відстані 10-20 кілометрів. Супутникова система є високоточною, оскільки працює у діапазоні надвисоких частот. Водночас вона є глобальною, тому що у будь-якій точці земної поверхні над горизонтом завжди знаходяться кілька супутників системи.

По геометричній суті супутникова система є далекомірною. Можна було б сказати, що вимірюють відстані від приймача до супутників і розташування приймача визначають лінійною засічкою. Однак таке твердження правильне лише у першому наближенні. Насправді, як сказано раніше, у геотроніці вимірюють не відстань, але величини, функціонально з ними пов'язані. За фізичною чи апаратурною суттю супутникова система є беззапитовою. Опорні генератори супутника та приймача незалежні та успішне виконання вимірювань вимагає, щоб їх розсинхронізація була врахована. Система працює у трьох нерозривно пов'язаних режимах. Зв'язок між режимами здійснює, переважно, програмне забезпечення.

Оформіть заявку на сайті, ми зв'яжемося з вами найближчим часом і відповімо на всі запитання.

Що таке GPS і як працює ця система - від картографії до геокешінгу

Технологія глобального позиціонування пройшла довгий шлях від військової та авіаційної сфери до використання у практично кожному споживчому устрої. Смартфони, фітнес-трекери, розумні мітки – ось лише кілька прикладів гаджетів із GPS, якими ми користуємося щодня.Ринок GPS-технологій продовжує зростати за рахунок розвитку споживчої електроніки, автономного транспорту, точного землеробства та інших галузей. Прогнозується, що до 2034 року він досягне $472,16 млрд порівняно з $109,42 млрд 2024-го. Розбираємось, як з'явилася ця технологія і як вона працює.

Що таке GPS

GPS (Global Positioning System, система глобального позиціонування) - це американська система супутникової навігації, яка дозволяє точно визначити місцезнаходження пристрою з GPS-приймачем на Землі та навколоземному просторі. Вона надає користувачам послуги позиціонування, навігації та синхронізації.

Історія GPS

Розвиток системи розпочалося США у 1960-ті роки з ініціативи військово-морського флоту. Тоді на низьку навколоземну орбіту запустили два супутники, які допомагали кораблям орієнтуватися у море. Цю систему назвали Transit.

Поступово система супутникової навігації прийшла до цивільних сфер, і в першу чергу до авіації. Літаки використовували її для орієнтації у просторі щодо землі під час польотів.

У 1970-ті роки систему почали покращувати. На високу орбіту запустили додаткові супутники. 1973 року в Пентагоні вирішили створити «оборонну навігаційну супутникову систему». Спочатку програма називалася DNSS, але потім була перейменована на Navstar. Перший супутник мережі запустили 1978 року. Протягом наступного десятиліття було ще дев'ять запусків, а з 1989-го по 1993 рік на орбіту відправили 23 більш важкі і продуктивні моделі. Сузір'я GPS остаточно сформувалося 1994 року.

Для чого потрібна GPS

Технологія має безліч застосувань, але в основному використовується одним із наступних способів:

• Навігація.Пристрої з підтримкою GPS дозволяють вибудовувати маршрути та відстежувати рух ними;
• картографування. Геодезисти використовують технологію GPS для отримання точних та детальних координат на картах;
• геокешинг. Пристрої GPS допомагають користувачам орієнтуватися за координатами, які вказують розташування різних визначних пам'яток та незвичайних місць;
• відстеження. Пристрої GPS можна кріпити до транспортних засобів, вантажів і навіть диких тварин для відстеження їх переміщень.

Технологія застосовується у багатьох сферах, зокрема:

• сільського господарства — системи GPS можуть збирати інформацію про склад ґрунту та погодні умови, допомагають у навігації фермерам;
• логістики та транспорту - компанії використовують GPS для більш точного управління переміщенням товарів та відстеження трафіку;
• гірничодобувної промисловості — GPS може відстежувати місцезнаходження робітників, обладнання та корисних копалин, маршрути та швидкість техніки;
• комунальних послуг - підприємства використовують відстеження GPS для управління та обслуговування мереж, щоб реагувати на збої, виявляти проблемні місця та здійснювати технічне обслуговування;
• космонавтики для відстеження орбіти, траєкторії космічних кораблів, а також у додатках дистанційного зондування Землі.

GPS надає два рівні обслуговування: стандартну службу позиціонування (SPS) та службу точного позиціонування (PPS). Доступ до PPS можуть отримати лише збройні сили США, федеральні агенції країни та деякі союзні армії та уряди. SPS доступна користувачам по всьому світу безкоштовно.

Скільки супутників у GPS

Угруповання GPS належить уряду США та управляється Космічними силами країни. Вона складається з 31 супутника, що обертаються навколо Землі на орбіті заввишки 20,1 тис.км і рухаються зі швидкістю 14 тис. км/год, здійснюючи оберт навколо нашої планети кожні 12 годин. Приймачі на Землі вловлюють ці сигнали, використовуючи їх для розрахунку часу, місцезнаходження та швидкості руху об'єктів, що відстежуються.

З 1978 по 1981 рік для формування угруповання запустили 10 супутників Block I. Нові версії, Block II, були запущені на початку 1989 року і могли мовити на двох радіочастотах L-діапазону. У GPS Block II було кілька серій розробки, включаючи Block IIA, IIR, IIR-M та IIF. Третє покоління супутників, Block III, яке підтримує більшу потужність мовлення, запускають з 2018 року.

Як працює GPS

GPS включає три складові: космічний сегмент, систему управління і користувальницький сегмент.

Космічний сегмент - це орбітальні апарати, які передають односторонні сигнали з інформацією про своє поточне положення та час. Для точності час обчислення вони використовують атомний годинник.

Система управління складається із станцій моніторингу, розташованих у всьому світі. Вони підтримують супутники на правильних орбітах, періодично даючи команди про синхронні маневри і коригують супутниковий годинник.

Користувальницький сегмент складається з обладнання приймачів GPS, яке приймає сигнали від супутників мережі та використовує отриману інформацію для розрахунку положення та часу користувача.

Для точних розрахунків приймачам потрібно зловити сигнал мінімум від чотирьох супутників, щоб розрахувати час, широту, довготу та висоту положення об'єкта. Також вони повинні враховувати затримки поширення або зменшення швидкості сигналу супутника, спричинені проходженням іоносфери та тропосфери.

GPS-пристрої

Приймачі супутникових сигналів поділяються на два основні типи.

Портативні

Портативні GPS-пристрої використовуються під час руху та мають компактний розмір. Їх можна знайти в смартфонах, розумних годинниках, туристичних та автомобільних навігаторах. У них часто використовують технологію A-GPS або assisted GPS, яка отримує дані про розташування не тільки від своїх супутників, а й через інші системи, у тому числі Wi-Fi та мобільний інтернет. Також до портативних пристроїв відносять зовнішні модулі GPS, які не мають монітора та елементів управління, у тому числі розумні трекери, які дозволяють відстежувати об'єкти.

Стаціонарні

Ці пристрої GPS призначені для визначення координат точки з максимальною точністю. Вони зазвичай використовуються в промисловості, морській навігації, геодезії та картографії. GPS-приймачі в стаціонарних пристроях здатні одночасно підтримувати зв'язок із чотирма та більш супутниками, а також поєднувати різні супутникові навігаційні системи.

Система GPS: плюси та мінуси

Система навігації GPS має сильні та слабкі сторони.

• висока точність геопозиціонування - до 2-4 м. При використанні технології A-GPS або комбінації GPS з іншими навігаційними системами, вона може підвищитися до одного метра і менше;
• постійне оновлення обладнання;
• широке застосування у споживчих пристроях;
• простота використання — користувачеві потрібно лише запустити програму з геолокацією.

• зниження точності роботи біля полюсів планети, оскільки супутники розташовані переважно у районі екваторіальних широт;
• вплив погодних умов на швидкість проходження сигналу;
• зниження точності роботи навігації у будівлях та лісах через відображення хвиль;
• підвищення витрати батареї пристрою під час роботи GPS-приймача.

Чим GPS відрізняється від ГЛОНАСС

Крім різниці у кількості супутників, — у GPS їх 31, а у ГЛОНАСС 24 — американська система відрізняється від російської ще за низкою параметрів:

• супутники GPS знаходяться в шести площинах і звертаються синхронно навколо Землі, тому для точного геопозиціонування їм потрібні наземні станції коригування;
• похибка позиціонування у ГЛОНАСС становить 3-6 м, у GPS - 2-4 м;
• у ГЛОНАСС інформація шифрується за безпечнішим протоколом FDMA (Frequency Division Multiple Access з частотним поділом сигналів), а GPS — за більш простим і дешевшим протоколом CDMA (Code Division Multiple Access з кодовим поділом). У першому випадку кожному користувачеві на час сеансу зв'язку виділяється своя смуга частот (частотний канал), а в другому дані користувачів не розносяться за часом або частотами, а змішуються, використовуючи всю ширину каналу;
• ГЛОНАСС покриває 100% території Росії та 70% планети, а GPS доступний скрізь, крім навколополярних широт.

Читайте також:

👀 Слідкуйте за телеграм-каналом «РБК Трендів» — будьте в курсі останніх тенденцій у науці, бізнесі, суспільстві та технологіях.

Технологія глобальної супутникової навігації: які бувають системи, параметри та функції

У цій статті ми розповімо про глобальні системи позиціонування, розроблені у США, Росії, ЄС та Китаї; пояснимо, як підтримка технологій глобальної супутникової навігації реалізована в електронних пристроях, а також опишемо ключові та додаткові функції сучасних навігаційних приймачів.

GPS

Система GPS (Global Positioning System) створювалася для застосування у військових цілях.Вона почала працювати наприкінці 80-х — на початку 90-х років, проте до 2000 року штучні обмеження на місцезнаходження суттєво стримували її можливості використання в цивільних цілях.

• Визначення точного розташування
  
• Навігація, рух за маршрутом з прив'язкою до карти на підставі реального розташування
  
• Синхронізація часу
  

Орбіти супутників системи GPS. Приклад видимості супутників із однієї з точок на Землі. Visible sat — це кількість супутників, які видно над горизонтом спостерігача в ідеальних умовах (чисте поле).

ГЛОНАСС

Російський аналог GPS - ГЛОНАСС (глобальна навігаційна супутникова система) - була розгорнута в 1995 році, але у зв'язку з недостатнім фінансуванням і малим терміном служби супутників вона не набула широкого поширення. Другим народженням системи можна вважати 2001 рік, коли було прийнято цільову програму її розвитку, завдяки якій ГЛОНАСС відновив повноцінну роботу у 2010 році.

Сьогодні на орбіті працюють 24 супутники ГЛОНАСС, вони охоплюють навігаційним сигналом всю земну кулю.
Нові споживчі пристрої використовують GPS та ГЛОНАСС як взаємодоповнюючі системи, підключаючись до найближчих знайдених супутників, що значно збільшує швидкість та точність їхньої роботи.

Приклад: автомобільний GPS/ГЛОНАСС-навігаційно-зв'язковий пристрій на базі ОС Android, розроблений командою Promwad на замовлення російського конструкторського бюро. Реалізовано підтримку GSM/GPRS/3G. Пристрій автоматично оновлює інформацію про дорожню обстановку в режимі реального часу та пропонує водієві оптимальний маршрут з урахуванням завантаженості доріг.

Наразі на стадії розробки знаходяться ще дві супутникові системи: європейська Galileo та китайська Compass.

Galileo

Галілео – спільний проект Європейського союзу та Європейського космічного агентства, анонсований у 2002 році. Спочатку розраховували, що вже у 2010 році в рамках цієї системи на середній навколоземній орбіті працюватимуть 30 супутників. Але цей план не було реалізовано. Наразі імовірною датою початку експлуатації Galileo вважається 2014 рік. Однак, очікується, що повнофункціональне використання системи почнеться не раніше 2020 року.

Compass

Це наступний рівень розвитку китайської регіональної навігаційної системи Beidou, яка була введена в експлуатацію після запуску 10 супутників наприкінці 2011 року. Зараз вона забезпечує покриття у межах Азії та Тихоокеанського регіону, але, як очікується, до 2020 року система стане глобальною.

Порівняння орбіт супутникових навігаційних систем GPS, ГЛОНАСС, Galileo та Compass (середня навколоземна орбіта - MEO) з орбітами Міжнародної космічної станції (МКС), телескопа Хаббл та серії супутників Ірідіум (Iridium) на низькій орбіті, а також геостаціонарної орбіти.

Підтримка ДПС

• Smart Antenna - модуль, що складається з керамічної антени та навігаційного приймача. Переваги: ​​компактність, яка не вимагає узгодження, здешевлює розробку за рахунок скорочення термінів.
• MCM (Multi Chip Module) – чіп, що включає всі компоненти навігаційного приймача.
• OEM - екранована плата, що включає ВЧ інтерфейсний процесор і процесор частот основної смуги (RF-frontend + baseband), SAW-фільтри та обв'язування. Це найбільш популярне рішення зараз.

Ключові параметри навігаційних приймачів

1. Сигнали від супутників
2. Альманах - інформація про приблизні параметри орбіт всіх супутників, а також дані для калібрування годинника та характеристики іоносфери
3. Ефемериди - точні параметри орбіт і годин кожного супутника

Виробники приймачів використовують різні методи зменшення TTFF, включаючи скачування та збереження альманаху та ефемерид бездротовими мережами передачі даних (т.зв. метод Assisted GPS або A-GPS), це швидше ніж вилучення цих даних із сигналів ГНСС.

Холодний старт визначає ситуацію, коли приймачеві необхідно отримання всієї інформації визначення місця. Це може тривати до 12 хвилин.

Теплий старт описує ситуацію, коли у приймача є майже вся необхідна інформація у пам'яті, і він визначить місце протягом хвилини.

Одним із ключових параметрів навігаційних модулів у мобільних пристроях є енергоспоживання. Залежно від режиму роботи, модуль споживає різну кількість енергії. Фаза пошуку супутників (TTFF) характеризується більшим, а стеження меншим енергоспоживанням. Також виробники реалізують різні схеми зменшення енергоспоживання, наприклад шляхом періодичного переведення модуля в режим сну.

Як правило, всі модулі видають дані за текстовим протоколом NMEA-0183, але крім зазначеного текстового протоколу кожен виробник має свій власний двійковий протокол (Binary), який дозволяє змінювати конфігурацію модуля під конкретне використання або отримати доступ до додаткового функціоналу, а також доступ до сирих вимірювань. Двійковий протокол зручний на використання на микроконтроллерах, т.к.при цьому немає необхідності виконувати перетворення з тексту на двійкові дані, тим самим заощаджуючи програмну пам'ять шляхом виключення бібліотеки роботи з рядками та часу на перетворення.

Стандарт NMEA-2000 - Це розвиток протоколу NMEA-0183. Як фізичний рівень NMEA-2000 використовується CAN-шина, яка була обрана у вигляді більшої захищеності в порівнянні з RS-232. З погляду протоколу передачі NMEA-2000 істотно відрізняється від свого попередника, т.к. використовує двійковий протокол, що базується на стандарті SAE J1939.

Частота оновлення даних про місцезнаходження та швидкість всіх модулів становить 1 Гц, але при необхідності її можна підняти до 5 або 10 Гц.

Залежно від сфери застосування модуль можна налаштувати під певні динамічні характеристики, які він повинен відстежувати (наприклад, максимальне прискорення об'єкта). Це дозволяє використовувати оптимальний алгоритм та покращувати якість вимірювань.

Для виконання навігаційної задачі модуль повинен одночасно приймати сигнали від кількох супутників, тобто. мати кілька приймальних каналів. На сьогоднішній день це число лежить у діапазоні від 12 до 88.

Точність позиціонування GPS становить в середньому 15 м, вона обумовлена ​​використовуваним неточним сигналом, впливом атмосфери на поширення радіосигналу, якістю кварцових генераторів у приймачах та ін. Але за допомогою коригувальних методів можливо поліпшити точність позиціонування. Ця технологія називається Differential GPS. Існує два методи корекції: наземний та супутниковий DGPS.

У наземних методах корекції наземні станції диференціальних поправок постійно звіряють своє відоме місцезнаходження і сигнали від навігаційних супутників. На базі цієї інформації обчислюються коригувальні величини, які можуть бути передані за допомогою УКХ- або ДВ-передавача на мобільні DGPS-приймачі у форматі RTCM. З отриманої інформації споживач може коригувати процес визначення власного местоположения. Точність цього методу становить 1-3 метри і залежить від відстані до передавача інформації, що коректує, і якості сигналу.

Супутникові методи, такі як система WAAS (Wide Area Augmentation System), доступна в Північній Америці, та система EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay System), доступна в Європі, шлють коригувальні дані з геостаціонарних супутників, таким чином досягається бобільша область прийому, ніж при наземних методах.

Супутникові системи диференціальної корекції (SBAS – Space Based Augmentation Systems) дозволяють покращити точність, надійність та доступність навігаційної системи за рахунок інтеграції зовнішніх даних у процесі розрахунку

Демонстрація принципу роботи системи WAAS (Wide Area Augmentation System) на території США

Одним з основних параметрів, що впливають на точність позиціонування та стабільність прийому є чутливість. Вона, як правило, визначається якістю малошумного підсилювача на вході приймача та складністю реалізованих алгоритмів цифрової обробки. Типові значення сучасних приймачів лежать у діапазоні 143 дБм для пошуку та 160 дБм для стеження.

Крім визначення місцезнаходження ДПС надають інформацію про точний час.Як правило, всі приймачі мають вихід PPS (pulse per second, імпульсів за секунду) — секундна мітка (1 Гц), яка точно синхронізована з часовою шкалою UTC.

Додаткові функції навігаційних пристроїв

Обчислення шляху. На основі інформації про напрямок руху та пройдений шлях (надається додатковими датчиками) приймач може розраховувати свої координати за відсутності сигналів від супутників (наприклад, у тунелях, на підземних стоянках та в щільній міській забудові).

Деякі модулі мають можливість безпосередньо підключати флеш-пам'ять (наприклад, SPI) до модуля для запису треку з необхідною періодичністю. Ця функція дозволяє відмовитися від використання окремого мікроконтролера, або може бути корисною для мінімізації енергоспоживання (тобто система на кристалі може перебувати в стані сну).

На цьому поверховий огляд технологій глобальної супутникової навігації завершено. Дякую за увагу. Приклади реалізованих проектів на базі цих ГЛОНАСС та GPS можна переглянути на сторінці розробок компанії Promwad.