Гнсс что это такое
Глобальная навигационная спутниковая система (ГНСС) — что это такое?
Спутниковая навигационная система использует спутники для определения геопространственного положения объекта. В нашей спутниковой системе, спутники размещаются на конкретных орбитах вокруг земного шара, чтобы точно определить, где находится приемник. Чтобы построить маршрут движения до нового места, мы часто используем карты Google Maps и следуем за ней с полной уверенностью, что она приведет нас к желаемому месту. Но как именно эта функция работает?
Эта система основана на передаче информации в зашифрованном виде, которую мы называем «навигационным сообщением», т. е. сообщением, отправленным спутником (космическим сегментом) на пользовательское устройство (пользовательский сегмент) после получения навигационных данных от наземных станций (контрольный сегмент).
Глобальная навигационная спутниковая система
ГНСС относится к группе спутников, которые ретранслируют сигналы из космоса для передачи данных о местоположении и времени на приемники ГНСС. Спутниковые навигационные системы различных стран функционируют в рамках ГНСС. В настоящее время, GPS стал настолько популярным, что люди ошибочно принимают каждую спутниковую систему за GPS.
Перечень спутниковых навигационных систем различных стран мира
Навигационное сообщение
Навигационное сообщение — это сообщение, отправленное спутником пользователю после получения данных из управляющего сегмента. Для определения положения и скорости спутников, имеются три набора данных, которые передаются в виде навигационного сообщения, а именно: данные альманаха, транслируемые эфемериды и точные эфемериды («эфемерид» — это положение небесного тела в заданный период времени). Сообщения, передаваемые спутником, имеют формат RINEX, представляющий собой формат обмена данными для спутниковых систем.
Независимый формат обмена навигационными данными (RINEX)
Первое предложение по независимому формату обмена информацией (RINEX) было разработано в Бернском Астрономическом институте, с целью упрощения обмена собранными данными GPS. С момента его разработки, формат RINEX претерпел множество изменений и постоянно модифицируется. RINEX имеет три версии — RINEX version 1, RINEX version 2 и RINEX version 3, последняя из которых обновилась до RINEX 3.03.
Различные спутниковые системы посылают разные закодированные навигационные сообщения, поэтому для их расшифровки нужно знать, как дифференцировать и идентифицировать данное сообщение и использовать определенные алгоритмы для их декодирования (используются обычные понятия структуры данных).
Теперь вернемся к нашему вопросу о Google Maps, который использует GPS в качестве своей навигационной системы. Пользователь посылает сигналы на спутник через свое устройство с запросом направления к определенному месту назначения. Затем эти сигналы принимаются спутником и, используя спутниковые снимки, спутник посылает навигационное сообщение на устройство пользователя в зашифрованном формате. Затем это сообщение декодируется и используется приложением для того, чтобы привести нас к желаемому месту назначения.
Спутниковая навигация является важнейшей спутниковой системой, имеющая как коммерческое, так и стратегическое применение. Это имеет большое значение, когда речь заходит о национальной безопасности, т.к. они могут помочь в поиске враждебных сторон. Видя, насколько функциональны такие системы, многие страны постепенно разрабатывают свои собственные, чтобы избежать ненужной иностранной зависимости.
На видео: Как работает спутниковая система навигации?
GNSS: все, что нужно знать
Введение
Прежде чем мы посмотрим на историю глобальной навигационной спутниковой системы (англ. Global Navigation Satellite System, GNSS, ГНСС; далее как GNSS) или кинематики в реальном времени (RTK или Real Time Kinematic), мы должны рассмотреть исходную технологию, которая положила начало всему этому, известную как спутниковая навигация, ставшая в последствии одной из самых используемых и важных технологий во всем мире. Спутниковая навигационная система (A.K.A. satnav) — это своего рода технология, которая используется для определения местоположения автономных тел, находящихся на поверхности Земли. Для выполнения этой задачи технология спутниковой навигации использует несколько спутников (размещенных в космическом пространстве) для передачи сигнала через канал передатчика и приёмника. Эти сигналы могут использоваться для маркировки местоположения, отслеживания местоположения и многих других целей.
Одна из технологий, на которую часто полагается GNSS, — это кинематика в реальном времени или RTK. Кинематика в реальном времени — это метод глобального спутникового позиционирования, который помогает GNSS повысить достоверность и точность целевых данных. Что касается позиционирования, определения местоположения и максимальной точности, сочетание GNSS с RTK повышает уровень точности, не похожий ни на что другое. RTK усиливает фазовый сигнал, которым обмениваются передатчик и приёмник, обеспечивая, тем самым, точность сантиметрового уровня и корректировку сигнала в реальном времени.
Что такое GNSS или глобальная навигационная спутниковая система?
Глобальные навигационные спутниковые системы были первоначально разработаны ВВС США, тогда технология называлась Global Positioning System или GPS, и её можно было использовать только в вооруженных силах США. Со временем технология GPS стала доступна каждому на этой планете. Теперь, когда каждый смартфон оснащённый GPS находится в лёгком доступе для всех, правительства нескольких стран решили вывести эту технологию на более продвинутый, точный и долгосрочный уровень. Таким образом, появление глобальных навигационных спутниковых систем или GNSS стало официальным явлением для потребителей частного сектора.
В настоящее время, помимо США, ГЛОНАСС России и Галилео Европейского Союза являются двумя основными действующими GNSS, работающими на поверхности нашей планеты. С появлением технологии GNSS начали работать многие вспомогательные технологии, известные как региональные навигационные системы (Regional Navigation Systems). Концепция технологии такая же, как и у GNSS, но охватывает меньше географических областей.
Как работает глобальная навигационная спутниковая система или GNSS?
Спутники GNSS имеют две несущие волны, зафиксированные в диапазоне L, а именно L1 (1575.42 МГц) и L2 (1227.60 МГц). Основное назначение этих двух диапазонов волн — передавать сигналы с подключенного спутника на поверхность земли. Согласно Techopedia, использование технологии L-диапазона может снизить накладные расходы, обеспечивая при этом надёжное соединение, которое менее подвержено прерываниям. Внедрение L-диапазонов при правильном расположении антенн даёт ряд преимуществ для сельскохозяйственных дронов, морских технологий, удаленного мониторинга и многого другого.
С другой стороны, приёмники GNSS, размещённые на поверхности земли, состоят из антенны и блока обработки. Назначение антенны — принимать кодированные сигналы от подключенных спутников, а задача блока обработки — декодировать сигналы в значимую информацию.
Примечание: для определения положения одного приёмника, GNSS должна собирать данные как минимум с трёх отдельных спутников.
Каждый спутник GNSS вращается вокруг Земли с интервалом 11 часов 58 минут и 2 секунды. Информация о времени, передаваемая спутником, передаётся с помощью кодов, с тем чтобы приёмник мог определить временной интервал, в течение которого передавался код.
Сигналы, передаваемые со спутника, содержат кодированные данные, которые помогают приёмникам точно определять его местоположение, а сам приёмник позиционирует себя точно в соответствии с положением спутника.
IC приёмник вычисляет разницу во времени между временем вещания и временем приёма кодированного сигнала. Как только приёмник позиционируется точно относительно спутника, блок обработки переводит местоположение приёмника с точки зрения широты, долготы и высоты. Вот так на основе этой простой концепции, каждая GNSS работает на поверхности этой планеты.
Применение глобальных навигационных спутниковых услуг
Появление технологии GNSS привело к изменению концепции отслеживания местоположения с высокой степенью точности и широким диапазоном охвата. Существует несколько основных вариантов применения GNSS, которые помогли миру увидеть лучшее будущее.
GNSS для навигации
Среди всех других технологий концепция GNSS оказала большое влияние на навигационные технологии. В последнее время GNSS была включена в автомобильную промышленность, теперь почти каждая автомобильная компания интегрирует технологию GNSS в свои модели автомобилей. Интеграция технологии GNSS помогает водителю легко перемещаться по неизвестным маршрутам, чтобы исследовать дороги мира.
Применение GNSS в навигационной системе не ограничивается только автомобилями, так как теперь эта технология широко используется и в самолётах. Предварительное картирование местности и обновление местности в режиме реального времени по GNSS позволяют пилотам избегать столкновений в воздушном сообщении. Более того, GNSS, используемая в кабинах самолётов, также использует такие технологии, как WAAS или GBAS (LAAS), для повышения точности курса.
Что такое WAAS?
По данным Федерального управления гражданской авиации, в отличие от традиционных наземных навигационных средств, система расширения зоны действия (Wide Area Augmentation System или сокр. WAAS) предоставляет навигационные услуги по всей Национальной системе воздушного пространства (National Airspace System или сокр. NAS). WAAS предоставляет дополнительную информацию приёмникам GPS /WAAS для повышения точности и целостности оценок текущего местоположения.
Что такое GBAS или LAAS?
Исторически сложилось так, что Федеральное управление гражданской авиации (Federal Aviation Administration или сокр. FAA) когда-то упоминало то, что мы теперь называем GBAS, LAAS. Согласно веб-сайту Федерального управления гражданской авиации, наземная система дополнения (Ground-Based Augmentation System или сокр. GBAS) — это система, которая обеспечивает дифференциальные поправки и мониторинг целостности глобальных навигационных спутниковых систем (GNSS).
Помимо широкого спектра применения GNSS в автомобилях и самолётах, GNSS также используется для навигации катеров/яхт и кораблей на поверхности воды.
Примечание: на судах также используется функциональный блок GNSS получивший название «Man Overboard/Человек за бортом» или сокр. MOB. Данная функция позволяет экипажу корабля точно отметить местонахождение человека, упавшего за борт.
GNSS для съёмки и геологического картирования
Геодезическая съёмка и геологическое картирование — ещё одно важное применение GNSS. Большинство приёмников GNSS используют данные сигнала, генерируемые на частоте волны L1, для выполнения геологического картирования. Он оснащён точным кварцевым генератором, который помогает волне уменьшить ошибки часов при картировании. Исследователи могут также проводить высокоточные измерения путем расчёта соответствующего смещения между датчиками GNSS.
Например, если активно деформирующаяся область (скажем вулкан) окружена несколькими приёмными станциями, то GNSS может пригодиться для обнаружения любого вида деформации или движения земли.
Применение GNSS в других отраслях
Помимо вышеуказанных вариантов применения GNSS, к числу важных также можно отнести:
Датчики инерциальных измерительных устройств или системы INS
Инерциальный измерительный блок (Inertial Measurement Unit или инерционный датчик; сокр. IMU) играет жизненно важную роль в глобальных навигационных спутниковых системах. Как уже говорилось выше, система GNSS собирает сигналы данных по крайней мере от трёх из находящихся на орбите спутников, где каждый сигнал, принимаемый приёмниками, является невероятно точен.
Однако, если сигналу препятствуют какие-либо препятствия, такие как деревья, валуны или здания, сигнал больше не может обеспечивать точное позиционирование. Инерциальный измерительный блок — это своего рода инерционный датчик, который вычисляет вращение и ускорение движущегося тела для определения его положения в пространстве.
Немного углубимся в детали
IMU состоит из 6 дополнительных датчиков, расположенных по трём другим ортогональным осям, где каждая из которых также состоит из акселерометра и гироскопа. Задача акселерометра — измерять линейное ускорение движущегося тела, в то время как гироскоп измеряет ускорение вращения. Таким образом, вычисляя значения этих двух сенсоров, система может легко определить точное местоположение движущегося тела.
В тандеме GNSS и IMU предоставляют конечным пользователям более мощные и точные навигационные решения.
Подытожим
Благодаря последним технологическим достижениям, многие концепции и технологии существенно изменили игровое поле для робототехники, спутниковой связи и навигации в том виде, в каком мы их знаем. Глобальная навигационная спутниковая система является ключевым игроком среди инновационных технологий, которые улучшили повседневную жизнь, какой мы знаем её сегодня. Более того, RTK обеспечивает GNSS сантиметровым уровнем точности с возможностью корректировки сигнала в режиме реального времени. Совместное использование GNSS и RTK обеспечивает максимальную точность и высочайшее качество отслеживания, которое вам необходимо. В конце концов, GNSS и RTK составляют самую мощную комбинацию на рынке сегодня.
В этом обзоре мы разобрали все возможные области, касающиеся GNSS, и подробно обсудили её концепции, принципы работы и применение. Надеемся, что представленный материал в полной мере проинформировал вас о технологии GNSS, просветил и вдохновил к достижению поставленных целей. Благодарим за внимание.
“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.