системы gnss что это

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?

Источник

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.

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.

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.

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

“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.

Источник