какие существенные преимущества дает технология гнсс

Технология глобальной спутниковой навигации: какие бывают системы, параметры и функции

В этой статье мы расскажем про глобальные системы позиционирования, разработанные в США, России, ЕС и Китае; объясним, как поддержка технологий глобальной спутниковой навигации реализована в электронных устройствах, а также опишем ключевые и дополнительные функции современных навигационных приемников.

Система GPS (Global Positioning System) создавалась для применения в военных целях. Она начала работать в конце 80-х — начале 90-х годов, однако до 2000 года искусственные ограничения на определение местоположения существенно сдерживали ее возможности использования в гражданских целях.

Орбиты спутников системы GPS. Пример видимости спутников из одной из точек на поверхности Земли. Visible sat — это число спутников, видимых над горизонтом наблюдателя в идеальных условиях (чистое поле).

ГЛОНАСС

Российский аналог GPS — ГЛОНАСС (глобальная навигационная спутниковая система) — была развёрнута в 1995 году, но в связи с недостаточным финансированием и малым сроком службы спутников она не получила широкого распространения. Вторым рождением системы можно считать 2001 год, когда была принята целевая программа ее развития, благодаря которой ГЛОНАСС возобновил полноценную работу в 2010 году.

Сегодня на орбите работают 24 спутника ГЛОНАСС, они охватывают навигационным сигналом весь земной шар.
Новейшие потребительские устройства используют GPS и ГЛОНАСС как взаимодополняющие системы, подключаясь к ближайшим найденным спутникам, это значительно увеличивает скорость и точность их работы.

Пример: aвтомобильное GPS/ГЛОНАСС-навигационно-связное устройство на базе ОС Android, разработанное командой Promwad по заказу российского конструкторского бюро. Реализована поддержка GSM/GPRS/3G. Устройство автоматически обновляет информацию о дорожной обстановке в режиме реального времени и предлагает водителю оптимальный маршрут с учётом загруженности дорог.

Сейчас на стадии разработки находятся еще две спутниковые системы: европейская Galileo и китайская Compass.

Galileo

Галилео — совместный проект Европейского союза и Европейского космического агентства, анонсированный в 2002 году. Изначально рассчитывали, что уже в 2010 году в рамках этой системы на средней околоземной орбите будут работать 30 спутников. Но этот план не был реализован. Сейчас предположительной датой начала эксплуатации Galileo считается 2014 год. Однако ожидается, что полнофункциональное использование системы начнется не ранее 2020 года.

Compass

Это следующая ступень развития китайской региональной навигационной системы Beidou, которая была введена в эксплуатацию после запуска 10 спутников в конце 2011 года. Сейчас она обеспечивает покрытие в границах Азии и Тихоокеанского региона, но, как ожидается, к 2020 году система станет глобальной.

Сравнение орбит спутниковых навигационных систем GPS, ГЛОНАСС, Galileo и Compass (средняя околоземная орбита — MEO) с орбитами Международной космической станции (МКС), телескопа Хаббл и серии спутников Иридиум (Iridium) на низкой орбите, а также геостационарной орбиты и номинального размера Земли.

Поддержка ГНСС

Ключевые параметры навигационных приемников

Производители приемников используют различные методы уменьшения TTFF, включая скачивание и сохранения альманаха и эфемерид по беспроводным сетям передачи данных (т.н. метод Assisted GPS или A-GPS), это быстрее чем извлечение этих данных из сигналов ГНСС.

Холодный старт описывает ситуацию, когда приемнику нужно получение всей информации для определения места. Это может занять до 12 минут.

Теплый старт описывает ситуацию, когда у приемника есть почти вся необходимая информация в памяти, и он определит место в течении минуты.

Одним из ключевых параметров навигационных модулей в мобильных устройствах является энергопотребление. В зависимости от режима работы модуль потребляет различное количество энергии. Фаза поиска спутников (TTFF) характеризуется большим, а слежение меньшим энергопотреблением. Также производители реализуют различные схемы уменьшения энергопотребления, например, путем периодического перевода модуля в режим сна.

Как правило, все модули выдают данные по текстовому протоколу NMEA-0183, но кроме указанного текстового протокола каждый производитель имеет свой собственный двоичный протокол (Binary), который позволяет изменять конфигурацию модуля под конкретное использование либо получать доступ к дополнительному функционалу, а также доступ к сырым измерениям. Двоичный протокол удобен для использования на микроконтроллерах, т.к. при этом нет необходимости выполнять преобразование из текста в двоичные данные, тем самым экономя программную память путем исключения библиотеки работы со строками и времени на преобразование.

Стандарт NMEA-2000 — это развитие протокола NMEA-0183. В качестве физического уровня в NMEA-2000 используется CAN-шина, которая была выбрана в виду большей защищенности по сравнению с RS-232. С точки зрения протокола передачи данныхNMEA-2000 существенно отличается от своего предшественника, т.к. использует двоичный протокол, базирующийся на стандарте SAE J1939.

Частота обновления данных о местоположении и скорости всех модулей составляет 1 Гц, но при необходимости ее можно поднять до 5 или 10 Гц.

В зависимости от области применения модуль можно сконфигурировать под определенные динамические характеристики, которые он должен отслеживать (например, максимальное ускорение объекта). Это позволяет использовать оптимальный алгоритм и улучшать качество измерений.

Для выполнения навигационной задачи модуль должен одновременно принимать сигналы от нескольких спутников, т.е. иметь несколько приемных каналов. На сегодняшний день это число лежит в диапазоне от 12 до 88.

Точность определения местоположения по GPS составляет в среднем 15 м, она обусловлена используемым неточным сигналом, влиянием атмосферы на распространение радиосигнала, качеством кварцевых генераторов в приемниках и пр. Но с помощью корректирующих методов возможно улучшить точность определения местоположения. Эта технология называется Differential GPS. Существует два метода коррекции: наземный и спутниковый DGPS.

В наземных методах коррекции наземные станции дифференциальных поправок постоянно сверяют свое заведомо известное местоположение и сигналы от навигационных спутников. На базе этой информации вычисляются корректирующие величины, которые могут быть переданы с помощью УКВ- или ДВ-передатчика на мобильные DGPS-приемники в формате RTCM. На основании полученной информации потребитель может корректировать процесс определения собственного местоположения. Точность этого метода составляет 1—3 метра и зависит от расстояния до передатчика корректирующей информации и качества сигнала.

Спутниковые методы, такие как система WAAS (Wide Area Augmentation System), доступная в Северной Америке, и система EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay System), доступная в Европе, шлют корректирующие данные с геостационарных спутников, таким образом достигается большая область приема, чем при наземных методах.

Спутниковые системы дифференциальной коррекции (SBAS — Space Based Augmentation Systems) позволяют улучшить точность, надежность и доступность навигационной системы за счет интеграции внешних данных в процессе расчета

Демонстрация принципа работы системы WAAS (Wide Area Augmentation System) на территории США

Одним из основных параметров, влияющих на точность определения местоположения и стабильность приема является чувствительность. Она, как правило, определяется качеством малошумящего усилителя на входе приемника и сложностью реализованных алгоритмов цифровой обработки. Типовые значения современных приемников лежат в диапазоне 143 дБм для поиска и 160 дБм для слежения.

Кроме определения местоположения ГНСС предоставляют информацию о точном времени. Как правило, все приемники имеют выход PPS (pulse per second, импульсов в секунду) — секундная метка (1 Гц), которая точно синхронизирована с временной шкалой UTC.

Дополнительные функции навигационных устройств

Счисление пути. На основе информации о направлении движения и пройденном пути (предоставляется дополнительными датчиками) приемник может рассчитывать свои координаты при отсутствии сигналов от спутников (например, в туннелях, на подземных стоянках и в плотной городской застройке).

Некоторые модули имеют возможность напрямую подключать флэш-память (например, по SPI) к модулю для записи трека c необходимой периодичностью. Эта функция позволяет отказаться от использования отдельного микроконтроллера, либо она может быть полезной для минимизации энергопотребления (т.е. система на кристалле может находиться в состоянии сна).

На этом поверхностный обзор технологий глобальной спутниковой навигации завершен. Спасибо за внимание. Примеры реализованных проектов на базе этих ГЛОНАСС и GPS можно посмотреть на странице разработок компании Promwad.

Источник

Сверхточное позиционирование на дороге

Что за GNSS?

GNSS расшифровывается как Global Navigation Satellite System (или Спутниковая Система Навигации) и используется как общий термин для спутниковой локализации с глобальным покрытием по всему земному шару. По состоянию на 2019 год, существует несколько основных спутниковых группировок:

Как это все работает?

Возьмем для примера обычный GPS в нашем телефоне. В зоне видимости с Земли всегда есть как минимум четыре GPS-спутника. Каждый из этих GPS-спутников отправляет информацию о своей позиции и текущее время на GPS-приемники с фиксированным интервалом. Ну а расстояние между GPS-приемником и спутником вычисляется путем нахождения разницы между временем отправки сигнала с GPS-спутника и временем получения сигнала GPS-приемником.

Как только приемник (например, ваш смартфон) получает сигнал хотя бы с трех спутников, вычисляется ваше местоположение (а точнее вашего телефона) с помощью трилатерации. GPS необходимо хотя бы три спутника для вычисления 2D-позиции (долгота и широта) и четыре спутника для 3D-позиции (долгота, широта, высота).

Почему GPS плохо работает в городских условиях?

И хотя под открытым небом GPS работает довольно неплохо, точность сильно падает в городских условиях (ошибка может быть 50 метров и более): высокие здания, провода, мосты и прочие объекты — все это ухудшает точность позиционирования.

Переотражение спутникового сигнала в городе. Фото Uber

Здания часто мешают прямой видимости спутников, и пока сигнал со спутника «летит» в ваш приемник, он успевает несколько раз отразиться от зданий и прийти с искажением. Из-за подобных переотражений точность позиционирования существенно снижается (бывает ± 500 метров). Вы, наверняка, сталкивались с такой ситуацией, когда при заказе такси ваше местоположение на карте отображалось неправильно.

Чтобы исключить эти проблемы, мы используем высокоточные GNSS-приемники, существенно повышающие точность позиционирования с помощью IMU (инерциальные измерительные модули), информации с CAN-шины автомобиля, RTK-поправок и еще немножко другой магии.

Повышение точности

Существует несколько основных способов повысить точность. Взглянем на самые популярные:

По большому счету, базовая станция — это GNSS-приемник в режиме “станция” + софт + радио/интернет канал

Вы знали, что в нашем OSCAR’e?

OSCAR и высокоточные GNSS-приемники

Сантиметровая точность необходима всем беспилотным автомобилям, не только OSCAR. Представьте на секунду, чтобы было бы, если бы беспилотник использовал обычный GPS с точностью ± 50 метров:

Такая низкая точность однозначно приведет к ДТП. Именно поэтому в процессе работы над OSCAR мы проводили исследования и испытывали ряд GNSS приемников, тестируя их в сложных условиях плотной городской застройки.

Автомобиль один, а GPS-треков несколько

В итоге, мы остановились на двух решениях:

В StarLine мы наслаждаемся тем, что делаем безопасный беспилотный автомобиль реальностью. Если тебе также интересна эта тема и ты хочешь строить беспилотное будущее с нами, то приглашаем в команду!

Проект StarLine OSCAR (Open Source Car) открыт для специалистов из Open Source Community, где все желающие могут поучаствовать в процессе разработки беспилотника на уровне кода, опробовать свои алгоритмы на реальном автомобиле, оснащенном дорогостоящим оборудованием.

Источник

Преимущества и недостатки спутниковых технологий в геодезии

Различие между классическими и спутниковыми методами геодезии. Геометрический принцип измерений. Проблема преобразования высот и координат в локальную геодезическую систему. Спутниковые радионавигационные системы. Наземный комплекс управления и контроля.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Преимущества и недостатки спутниковых технологий в геодезии

Интенсивное внедрение СРНС в геодезию обусловлено рядом прогрессивных возможностей. Основные из них следующие:

2. При построении геодезических сетей отпадает необходимость в прямой видимости между пунктами. Поэтому не нужно строить высокие знаки-сигналы, выбирая места на возвышенностях. Строительство знаков занимало в геодезии до 80% от стоимости работ. Новые пункты закладывают в местах, удобных для подъезда.

3. Повышение производительности спутниковых технологий, по сравнению с обычными технологиями, в 10-15 раз.

4. Выполнение кинематических измерений, то есть измерений в движении. Особенно ценно применение таких методов в морской геодезии, аэрофотосъемке. При этом отпадает необходимость создавать наземное обоснование, производить привязку опознаков.

5. Обеспечение непрерывных наблюдений, например, для мониторинга деформаций в режиме реального времени.

6. Одновременно могут определяться три координаты. Деление классических геодезических сетей на плановые и высотные привело к тому, что на пунктах триангуляции оказываются грубые высотные отметки, а на реперах отсутствуют плановые координаты.

7. Благодаря высокому уровню автоматизации, обеспечиваются быстрота обработки, уменьшение субъективных ошибок.

8. Почти полная независимость от погоды.

По этой причине нельзя говорить о том, что спутниковые методы универсальны. Отметим следующие недостатки методов ГНСС:

2. Зависимость от препятствий и радиопомех. Спутниковые методы невозможно применять под землей.

3. Точность определения высот в 2-5 раз уступает точности определения плановых координат.

4. Высокая стоимость оборудования, сложное программное обеспечение.

Спутниковые радионавигационные системы. Три сегмента системы.

GPS. Для геодезических определений координат точек местности и различных объектов применяются СРНС. Геодезические приёмники работают в основном в системе GPS (Global Positioning System), которая создана и находится под управлением и контролем служб США. Система, являясь глобальной, обеспечивает возможность определения точных координат 24 часа в сутки, она постоянно развивается и модернизируется. GPS имеет в текущий момент на орбите 29 спутников, и их количество будет доведено до 48.

СРНС включает в себя три сегмента:

— космический с орбитальной группировкой навигационных спутников;

— наземный комплекс управления и контроля;

Благодаря надёжному комплексу контроля и управления обеспечивается постоянная бесперебойная работоспособность системы, периодически обновляется содержание радионавигационных сообщений всех спутников, уточняются их эфемериды и параметры синхронизации. Служба мониторинга включает спутники GPS и ГЛОНАСС.

Сегмент потребителей состоит из приёмников, пакетов программного обеспечения, наземных постоянно действующих базовых станций (сетей), сообщества пользователей. Всю аппаратуру, принимающую радионавигационные сигналы спутников, по назначению определяемым величинам и точностным характеристикам можно подразделить на геодезическую, навигационную и туристско-бытовую. Геодезические приёмники могут работать в одной системе (например, GPS или ГЛОНАСС), в двух системах: GPS + ГЛОНАСС. А в дальнейшем предполагается использование трёх систем: GPS, ГЛОНАСС, GALILEO. Производятся измерения на одной частоте L1 или на двух частотах L1 и L2, определения выполняются по кодовой или фазовой информации полученного сигнала.

Наибольшую точность обеспечивают геодезические двухчастотные приёмники, работающие одновременно по фазе и кодам. Навигационные приёмники наряду с координатами определяют дополнительные навигационные параметры движущегося объекта, их точность ниже геодезических и оценивается величинами от долей до десятков метров. Туристско-бытовые приёмники обеспечивают более низкую точность (Garmin, автомобильный навигатор, телефоны со встроенным GPS приемником, карманные ПК).

ГНСС приемники. С точки зрения новейших технологий производства топографических съемок предпочтение отдается автоматизированным средствам измерений. На сегодняшний день пользуются широким спутниковая аппаратура, специально разработанная для решения геодезических задач с применением систем ГЛОНАСС. Любой приемник, является высокоточным электронным инструментом. Полный комплекс состоит из полевой (ГНСС-приемник с принадлежностями) и камеральной (сопутствующий программный пакет, зарядное устройство и тому подобное) частей. В полевой комплект одночастотного оборудования обычно входят ГНСС-приемник, специализированная антенна, источники питания (аккумуляторы), портативный контроллер и набор соединительных кабелей. В разных моделях эти части могут быть объединены между собой.

Самое современное спутниковое оборудование для навигации может использовать сервисы, предоставляемые системами ГЛОНАСС и Galileo. Современные строительные, изыскательские и геодезические работы выполняются с применением самых современных и передовых технологий сбора и обработки информации, для чего и служит спутниковое оборудование. Геодезическая аппаратура активно применяются на начальных этапах строительства, межевания, привязки контрольных точек разбивки теодолитных и тахеометрических ходов, с помощью данного оборудования полевые геодезические работы выполняются в рекордно сжатые сроки позволяя не только собирать координатные данные, но и одновременно со сбором производить их обработку в реальном времени.

В зависимости от сигналов, по которым ГНСС-приемники могут проводить измерения, их условно делят на кодовые (выполняющие измерения только по коду) и фазовые (выполняющие измерения еще и по фазе несущих частот).

Точность кодовых приемников при определении автономных (абсолютных) координат очень низкая. Для ее повышения используется дифференциальный режим измерений, что позволяет определять координаты объектов с точностью от 20-30 сантиметров до 5 метров в зависимости от качества прибора и методики полевых наблюдений.

Фазовые ГНСС-приемники при относительных измерениях обеспечивают сантиметровую точность определения координат пунктов. Именно такая точность и необходима при решении большей части современных геодезических задач в России. Фазовые приемники также делятся по типу проводимых измерений на одночастотные (работающие только на частоте L1) и двухчастотные (на L1 и L2). Хотя двухчастотные приемники имеют ряд серьезных технологических преимуществ (по точности, длине определяемых векторов, скорости измерений и так далее), не менее широкое распространение в нашей стране получили одночастотные приборы, поскольку они в 2-5 раз дешевле двухчастотных, имеют меньшие размеры, массу, энергопотребление и, как правило, проще в управлении.

Основные характеристики спутниковой аппаратуры,их роль для геодезических съемок. Обзор аппаратуры ведущих фирм-производителей.

Как говорилось выше, анализ структурных схем аппаратуры различных потребителей показывает почти полную их идентичность, поэтому приведем основные характеристики спутниковых приемников:

— уровень точности определения координат, например, для Trimble 5700, 5+0,5мм/1 км;

— одно системный / двух системный приемник;

— наличие инициализации на лету;

— встроенное устройство для подзарядки аккумуляторов;

— наличие радио/GSM модемов;

— рабочая температура приемника и т.п.

От наличия характеристик спутниковой аппаратуры, зависит точность, скорость, легкость выполнения геодезических измерений, например, двухчастотный приемник наиболее точный, требует меньше времени на измерение. Наличие у приемника Bluetooth связи между приемником и контроллером позволяет, например, в дождь управлять приемником из машины с помощью контроллера и т.п.

Среди фирм производителей приемников (а их почти 70), геодезическую аппаратуру выпускают 10 фирм, в их числе Leica Geosystems, Trimble Navigation, Topcon, NovAtel и др. Это не полный список, в нем, например, отсутствуют российские и китайские фирмы, а с другой стороны, мир индустрии геодезических приемников живет динамичной жизнью: фирмы появляются, исчезают, поглощаются одни другими, продаются, покупаются и т.д.

спутниковый геодезия радионавигационный

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Описание систем координат, применяемых в геодезии. Технологические схемы преобразования координат. Составление каталогов геодезических, пространственных прямоугольных, плоских прямоугольных координат Гаусса-Крюгера в системах ПЗ-90.02, СК-42, СК-95.

курсовая работа [653,2 K], добавлен 28.01.2014

Предмет и задачи геодезии, понятия о форме и размерах Земли. Системы координат, принятые в геодезии. Система плоских прямоугольных координат Гаусса-Крюгера. Изображение рельефа на топографических картах и планах. Решение инженерно-геодезических задач.

курс лекций [2,8 M], добавлен 13.04.2012

GPS-измерения как наиболее точный и быстрый способ определения координат. Определение геодезических координат. Элементы спутниковой системы навигации. Использование услуг по GPS-измерению. Механизм работы системы, абсолютный и относительный режимы.

презентация [313,5 K], добавлен 15.12.2011

Фигура Земли как материального тела. Действие силы тяготения и центробежной силы. Внутреннее строение Земли. Распределение масс в земной коре. Системы координат, высот и их применение в геодезии. Азимуты, румбы, дирекционные углы и зависимости между ними.

реферат [13,4 M], добавлен 11.10.2013

Общеземные системы координат. Системы картографических координат. Местные системы, история их введения и особенности применения. Основные национальные системы высот. Недостатки использующихся систем высот. Балтийская система высот в Республике Беларусь.

курсовая работа [2,0 M], добавлен 01.03.2015

Источник