GNSS: глобальный разбор

Содержание:

1. ГНСС (глобальные навигационные спутниковые системы): что это, история развития
2. Что такое GNSS
3. Как работает глобальная навигационная спутниковая система?
4. GPS или ГЛОНАСС?
5. Применение GNSS
6. Подробнее о GNSS в геодезии
7. Какие стандарты регулируют работу GNSS
8. Виды GNSS
9. Режимы работы GNSS-оборудования
10. GNSS-оборудование
11. Типы GNSS-приемников
12. Как выбрать оборудование
13. Преимущества GNSS
14. Линейка оборудования EFT
15. Часто задаваемые вопросы

Современные технологии упрощают нашу жизнь. И мы настолько привыкли к этому, что порой не замечаем, что не можем ступить без них и шагу. Отслеживаем, когда приедет автобус или такси, с легкостью находим интересные места и кафе в незнакомом городе, определяем местоположение детей, ни одна дальняя поездка не обходится без навигатора. И в данной статье речь пойдет об одной из самых часто используемых в мире технологий — о спутниковой навигации.

Что такое GNSS

Глобальная навигационная спутниковая система (ГНСС, GNSS) - это технология спутникового позиционирования, позволяющая определять точные координаты точки на поверхности Земли.

Система состоит из орбитальных спутников и сети наземных станций контроля. Спутники непрерывно передают навигационные сигналы с информацией о своем положении и времени передачи сигнала. GNSS-приемник принимает сигналы одновременно от нескольких спутников и по разнице во времени их прихода рассчитывает:

• географические координаты точки установки приемника;
• высоту;
• скорость и направление движения, если приемник находится в движении.

В геодезии GNSS используется для определения координат пунктов, выноса в натуру, съемки местности и контроля перемещений с высокой точностью.

Спутниковая навигационная система используется для определения местоположения автономных тел на поверхности Земли при помощи космических спутников. Технология состоит в передаче сигнала от передатчика, расположенного на спутнике, в котором зашифрована информация об идентификаторе спутника, его местоположении, точном бортовом времени, эфемеридах и приеме данного сигнала, а точнее одновременном приеме нескольких сигналов с разных спутников приемником на Земной поверхности. Фактически, метод сводится к определению приемником обратной геодезической задачи.

Немного истории

В 1974 г. был запущен первый спутник по программе NavStar для вооруженных сил США. Вплоть до 90-х штаты наращивали спутниковую группировку системы GPS (Global Positioning System), и в 1993 на орбиту был выведен последний из необходимых 24 аппаратов. После этого GPS стала глобальной навигационной системой. Но назначение GPS оставалось сугубо военным. Для гражданской аппаратуры код передавался с загрублением и не позволял осуществлять точное местоположение. Общедоступной же система стала в 2000 году, когда по распоряжению президента США (Б.Клинтона) у GPS было снято загрубление данных для гражданских пользователей. Сегодня ее ежедневно используют миллионы людей по всему миру.

Одновременно с разработкой GPS в СССР проводились работы по созданию собственной глобальной навигационной системы ГЛОНАСС (глобальная навигационная спутниковая система). Но из-за развала союза и сокращения разработок в космической отрасли развитие отечественной системы было волнообразно. Необходимые для глобального покрытия Земли 26 спутника она получила лишь в 2010 году, а сообщение об завершении создания системы получено к концу 2015 года.

Но GPS и ГЛОНАСС не единственные глобальные системы позиционирования, существующие на текущий момент. В 1994 Китайской Народной Республикой начато развертывание собственной спутниковой системы позиционирования. И с 2020 года китайская «Beidou» является глобальной системой.

Развертывание европейской системы Galileo стартовало в конце 2005, когда с космодрома Байканур ракето-носитель «Союз-ФГ» поднял на орбиту первый опытный аппарат. В конце 2016 года система была официально введена в эксплуатацию.

Помимо глобальных общеземных существуют и другие — региональные спутниковые системы, но принцип определения пользователем своего местоположения остается таким же.

Как работает глобальная навигационная спутниковая система?

Структура GNSS

Разберемся со структурой и принципом работы ГНСС. У любой системы существует три составляющих:

1. Космический сегмент — к нему относятся спутники, находящиеся на околоземной орбите и вещающие радио сигнал.
2. Наземный сегмент — это сегмент управления системой — сеть базовых станций и антенн, отслеживающих и корректирующих работу и положение навигационных спутников на орбите.
3. Пользовательский сегмент — в него входят все устройства, которые могут принимать и обрабатывать сигналы ГНСС. Другими словами — это телефоны, планшеты, ноутбуки, навигаторы, профессиональные GNSS-приемники (роверы).

Как мы уже говорили, принцип позиционирования с использованием ГНСС сводится к обратной засечке. Приемник пользователя пытается определить свое местоположение по четырем известным точкам — спутникам.

Также возможность исключения ряда неизвестных из уравнения, и как следствие возможности точного позиционирования появляется при использовании относительного метода определения координат (одновременного наблюдения одних и тех же спутников ГНСС двумя и более приемниками). Альтернативой относительному методу являются глобальные сервисы PPP (precise point position), осуществляющие передачу корректирующей информации бортовых часах спутников и их эфемеридах.

Принцип работы ГНСС

Работа глобальной навигационной спутниковой системы основана на взаимодействии двух основных элементов:

• орбитальной группировки спутников, которые непрерывно передают радиосигналы с данными о своем положении и точном времени передачи;
• GNSS-приемника, который принимает эти сигналы и выполняет вычисления.

Каждый спутник оснащен высокоточными атомными часами. В навигационном сообщении транслирующим спутником содержатся его текущие координаты и время отправки сигнала.

GNSS-приемник фиксирует момент получения сигнала и сравнивает его со временем передачи. По разнице во времени рассчитывается расстояние до каждого спутника. Этот метод называется определением псевдодальности.

Когда приемник получает сигналы минимум от четырех спутников, он может определить:

• широту;
• долготу;
• высоту;
• поправку к собственным часам

Использование большего количества спутников повышает надежность решения и точность вычислений, поскольку в расчетах участвует больше измерений. Это особенно важно при работе в сложных условиях: в городской застройке, в лесу или при частичном перекрытии небосвода.

GPS или ГЛОНАСС?

К тому же у мультисистемних приборов больше шанс получить решение в сложных условиях наблюдений, т.к. вероятность «увидеть» спутники разных систем ГНСС в условиях ограниченной видимости небосвода выше, нежели «увидеть» необходимое число одной из них, в добавок с хорошей конфигурацией.

Таким образом, мультисистемная навигация позволяет сгладить недостатки и достоинства каждой из ГНСС, предоставляя профессионалам возможность получать точные результаты измерений в самых сложных условиях.

Таким образом, на вопрос: «Какую GNSS предпочтительнее использовать?» отвечает действующий и результативный метод — комплементарность нескольких ГНСС.

Применение GNSS

Где еще, помимо повседневной навигации, применяется технология GNSS? Вы не ошибетесь, если скажете, что практически во всех областях. GNSS-технологии применяются в отраслях, где требуется точное определение координат и контроль положения объектов.

1. Геодезия — при помощи спутников осуществляется составление карт и планов под самый широкий круг задач. Высокоточная навигация плав средств, строительной (САУ) и сельскохозяйственной техники (точное земледелие).
2. Также, мониторинг транспортных средств, не требующий сантиметровой точности, производимый при помощи ГНСС, используется в логистических целях, обеспечивая тотальный транспортный контроль: отслеживается не только местоположение, но и скорость ТС, маршруты и пр. В гражданской авиации ГНСС применяется для повышения точности курса, позволяя избежать столкновения самолетов. Для навигации катеров и яхт. Интересно, что функциональный блок GNSS, применяемый на кораблях называется «Человек за бортом» (Man Overboard). Все потому, что данная функция позволяет с высокой точностью определить местоположение человека, оказавшегося за бортом.
3. Медиа-сфера — социальные сети. Так любимые всеми геотеги, то есть привязка постов к локации — все это использование в том числе технологии GNSS. Даже в игровой сфере, где участники ищут определенные локации по заданным координатам, без GNSS не обойтись.
4. Строительство. Используется для выноса проектных точек в натуру, исполнительной съемки и контроля положения конструкций. GNSS позволяет точно позиционировать строительную технику и элементы сооружений на площадке.
5. Горная промышленность. Применяется для определения границ карьеров, контроля объемов разработки и позиционирования техники. GNSS используется при буровых работах и перемещении горной массы.
6. Сельское и лесное хозяйство. Позволяет управлять сельскохозяйственной техникой с высокой точностью, выполнять параллельное вождение, дифференцированное внесение удобрений и обработку полей без перекрытий и пропусков.
7. Картография и кадастр. GNSS используется для определения координат земельных участков и объектов капитального строительства. Применяется при создании топографических планов, межевых и кадастровых работах.
8. Энергетика и добыча полезных ископаемых. При строительстве трубопроводов, линий электропередачи и других линейных объектов GNSS обеспечивает точное соблюдение проектной трассы и контроль положения опор и узлов.
9. Телекоммуникации и синхронизация времени. Спутниковые системы передают эталонный временной сигнал. Он используется для синхронизации цифровых сетей связи, базовых станций и серверного оборудования.
10. Поисково-спасательные работы. Позволяет оперативно определять координаты спасательных групп и местоположение пострадавших, что сокращает время реагирования.
11. Научные исследования. Высокоточные спутниковые измерения применяются для мониторинга деформаций земной поверхности, изучения тектонических процессов и геодинамики.
12. Личная навигация. Навигационные модули в смартфонах и автомобилях принимают спутниковые сигналы и определяют текущее местоположение пользователя для построения маршрутов.

Подробнее о GNSS в геодезии

Сегодня геодезия немыслима без технологии GNSS. По сравнению с традиционными методами съемки и выноса проектных данных в натуру ГНСС-оборудование позволяет производить данные работы в разы быстрее.

Также не стоит забывать, что основным критерием для работы ГНСС-приемников является наблюдение небосвода. Поэтому, для работ в закрытых помещениях, тоннелях и шахтах необходимо выбирать другие методы координирования.

Какие стандарты регулируют работу GNSS

При выполнении геодезических и навигационных работ с применением GNSS в России используются национальные стандарты, устанавливающие требования к оборудованию, методике измерений и оформлению результатов.

• ГОСТ Р 57371-2016 - Определяет правила выполнения спутниковых геодезических измерений. Регламентирует порядок работы с GNSS-приемниками, требования к наблюдениям и методы контроля точности полученных координат.
• ГОСТ Р 53611-2009 - Базовый стандарт в области землеустройства и кадастровых работ. Устанавливает требования к геодезическому оборудованию, условиям выполнения измерений и оформлению отчетной документации.
• ГОСТ Р 57374-2016 - Регламентирует работы по созданию и развитию государственной геодезической сети и фундаментальной астрономо-геодезической сети с применением спутниковых технологий.
• ГОСТ 33472-2023 - Определяет требования к использованию спутниковой навигации на транспорте, включая точность позиционирования и параметры передачи навигационных данных.

Соблюдение требований этих стандартов обеспечивает юридическую значимость результатов измерений и подтверждает их метрологическую обоснованность.

Виды GNSS

В мире существует и используется несколько независимых глобальных навигационных спутниковых систем. Каждая из них имеет собственную орбитальную группировку спутников и сеть наземных станций управления.

Современные геодезические приемники, как правило, работают одновременно с несколькими системами. Чем больше спутников участвует в расчете, тем выше устойчивость решения и точность координат, особенно в сложных условиях наблюдений.

• GPS - Навигационная система США. Спутники размещены на орбите высотой около 20 200 км. Обеспечивает глобальное покрытие и стабильную работу по всему миру. Широко применяется в геодезии, строительстве, транспорте и бытовой навигации.
• ГЛОНАСС - Российская глобальная навигационная система с орбитальной высотой около 19 100 км. Обеспечивает устойчивую работу на территории России и в северных широтах. Используется в геодезических приборах, транспортной навигации и государственных системах мониторинга.
• BeiDou - Глобальная навигационная система Китая, полностью развернута в 2020 году. Использует спутники на различных типах орбит. Обеспечивает высокую точность позиционирования в Азиатско-Тихоокеанском регионе и полноценное глобальное покрытие.
• NavIC - Региональная навигационная система Индии. Основная зона покрытия включает территорию Индии и прилегающие регионы Южной Азии. Применяется в транспортной инфраструктуре и национальных навигационных сервисах.

Режимы работы GNSS-оборудования

Режимы работы спутниковых систем следующие: 

• статика;
• кинематика с постобработкой;
• кинематика в реальном времени (RTK). 

Разберем каждый режим подробнее. Режим статики — наиболее точный метод, он применяется для создания и сгущения геодезических сетей. Статический метод характеризуется длительными сеансами спутниковых наблюдений, а также отсутствием возможности получить искомые координаты в режиме онлайн. Т.к. для их расчета требуется произвести постобработку.

Кинематика с постобработкой позволит произвести топографическую съемку, применяется для целей кадастра и землеустройства. Для осуществления данного метода используется полевой контроллер. В отличие от статических наблюдений кинематика с постобработкой предполагает короткие сеансы наблюдений. Однако для получения координат также требуется произвести постобработку.

Режим кинематики в реальном времени или RTK считается самым эффективным способом выполнения топографо-геодезических работ. Получение координат с высокой точностью во время выполнения съемки — одно из главных преимуществ RTK. Высокой является и скорость измерений — несколько секунд. Полученные данные записываются в память контроллера, затем передаются в компьютер. В результате вы получаете координаты пунктов с известной точностью. Работа в режиме RTK позволяет выполнить вынос в натуру, разбивку профилей, вычислить отклонения от проектных значений. Суть данного метода заключается в непрерывном получении корректирующей информации (поправок) от базового приемника (базы) ровером.

Продолжая тему технологий и высокоточного оборудования, отметим, что геодезические приборы, производимые EFT GROUP поддерживают работу со всеми глобальными спутниковыми навигационными системами, а также моту работать во всех существующих режимах. Какое именно именно оборудование используется для точных измерений?

GNSS-оборудование

Основной элемент системы - GNSS-приемник со спутниковой антенной. Антенна принимает навигационные сигналы от спутников, а встроенный вычислительный модуль обрабатывает их и выполняет расчет координат.

В состав геодезического комплекта обычно входят:

• приемник со встроенной или внешней GNSS антенной;
• контроллер для управления съемкой и работы с проектом;
• модуль связи для получения корректирующих поправок;
• аккумуляторные батареи для автономной работы.

Типы GNSS-приемников

• Навигационные. Используются в смартфонах, автомобильных системах и трекерах. Предназначены для ориентирования и построения маршрутов. Обеспечивают метровую точность.
• Геодезические. Применяются при строительстве, топографической съемке, кадастровых и разбивочных работах. Поддерживают многосистемный и многодиапазонный прием сигналов, работают в режиме RTK и обеспечивают сантиметровую точность.
• Базовые станции. Используются как опорный приемник с известными координатами. Передают корректирующие данные другим приемникам и позволяют существенно повысить точность измерений.

Как выбрать оборудование

Выбор зависит от поставленной задачи и требуемой точности. Подробнее читайте здесь.

• Для навигации достаточно стандартного приемника контроллера, планшета или навигатора.
• Для профессиональных геодезических работ требуется двухчастотное или многодиапазонное оборудование с поддержкой нескольких спутниковых систем и возможностью работы с корректирующими поправками.

Также учитываются:

• требуемая точность позиционирования;
• скорость получения фиксированного решения;
• условия работы, включая застройку, рельеф и климатические факторы

Преимущества GNSS

Спутниковая навигация стала основным способом определения координат. Главные достоинства технологии:

• Определение координат в любой точке Земли. Они доступны в городе, в горах или в открытом море. Работа не зависит от наличия наземной инфраструктуры.
• Высокая точность измерений. Обычный приемник определяет положение с погрешностью несколько метров. Геодезическая аппаратура при использовании поправок обеспечивает сантиметровую и в некоторых случая миллиметровую точность.
• Стабильная работа при любой погоде. Облачность, дождь или снег не блокируют спутниковый сигнал.
• Непрерывное получение координат. Положение определяется постоянно, пока доступен спутниковый сигнал, и координаты обновляются регулярно.
• Применение в разных областях. GNSS используют в строительстве, геодезии, транспорте и сельском хозяйстве. Одна технология подходит для самых разных задач.

Линейка оборудования EFT

EFT M3 Plus lite

GNSS — приемник EFT M3 Plus lite — преимущество перед конкурентами на многие годы. 866 универсальных каналов не только позволяют EFT M3 Plus принимать все существующие сигналы ГНСС, но и обеспечивают высокую актуальность прибора в будущем. Насколько бы быстро не обновлялся спутниковый сегмент, у М3 Plus достаточно мощности поддерживать появляющиеся сигналы в течение всего срока службы. Версия lite отличается отсутствием датчика угла наклона.

EFT M3 Plus

GNSS–приемник EFT M3 Plus — мощный ГНСС-приемник в компактном корпусе. Прибор подойдет для выполнения любых задач, требующих точного позиционирования. Передовая математика обработки сигналов тройной частоты созвездий ГНСС, примененная в приборе, обеспечивает надежное решение и высокую скорость позиционирования даже в условиях высотной застройки и сильной заселенности. В приемник интегрирован электронный уровень с инерциальным датчиком коррекции наклона (IMU). Это значит, что вы можете сэкономить порядка 30% времени на каждой точке.

EFT M2 Plus

GNSS-приемник EFT M2 Plus. Уникальные характеристики делают EFT M2 Plus передовым прибором точного и быстрого позиционирования. Прибор позволяет выполнять разбивочные работы в режиме дополненной реальности. Калиброванная камера, расположенная в нижней части приемника, работает совместно с инерциальным датчиком наклона (IMU) и GNSS-платой. Благодаря этому вынос проектных точек в натуру осуществляется с высокой точностью и скоростью в режиме AR. Калибровка «на лету» — инерциальный датчик коррекции наклона IMU последнего поколения выводит скорость и точность работ на новый уровень: нет предельного угла наклона компенсатора, нет зависимости от электромагнитных излучателей, нет процесса калибровки.

EFT M4

GNSS-приемник EFT M4 раздвигает привычные рамки использования GNSS-оборудования. С ним возможно выполнять работы в самых тяжелых условиях, даже в густом лесу. Приемник обрабатывает сигналы всех существующих GNSS-систем. В любой точке мира. В любое время суток. M4 — это выполнение работы с высокой точностью и уверенностью в получаемом результате.

EFT M5 RUS

GNSS-приемник EFT M5 RUS — новое поколение приборов, объединяющих в себе технологии GNSS и аэрофотограмметрии. Благодаря M5 вы можете сделать обмер объекта любой сложности, не устанавливая веху на сам объект. Все что вам нужно — это несколько снимков данного объекта с нескольких ракурсов на удалении от 2 до 15 метров от него. Также, при использовании специального программного обеспечения можно получать облака точек и 3D-модель объекта. Прибор оснащен GNSS-платой Unicore последнего поколения, обеспечивающей миллиметровую точность определения координат. Обладая 1408 универсальными каналами, EFT M5 RUS оснащен уникальными системами шумоподавления и выявления заведомо ложных сигналов, исключения зашумленных сигналов.

Подробнее узнать обо всех характеристиках GNSS-оборудования EFT, а также уточнить цены вы всегда можете на нашем сайте — eftgroup.ru или у специалистов отдела продаж по телефону 8 (800) 444-18-40.

Вопрос / Ответ

Какие существуют ограничения у GNSS?

Точность спутниковых измерений может меняться в зависимости от условий наблюдений. Основные причины возможных ошибок:

• Влияние атмосферы. Ионосфера и тропосфера замедляют распространение сигнала, что приводит к погрешностям в расчете координат.
• Препятствия на местности. Здания, сооружения, деревья и рельеф частично перекрывают сигнал или вызывают его отражение. Это ухудшает качество измерений.
• Радиопомехи. Спутниковый сигнал имеет низкую мощность, поэтому может подавляться внешними источниками излучения. В таких условиях точность снижается или решение не фиксируется.
• Геометрия спутников. Если в зоне наблюдения мало спутников или они расположены неблагоприятно, точность расчета уменьшается. Этот параметр характеризуется показателем DOP.

Как GNSS используется в авиации?

GNSS применяется для определения текущего положения воздушного судна в полете. Система обеспечивает расчет координат, высоты, скорости и направления движения.

Это повышает точность навигации по маршруту, упрощает процедуры захода на посадку и снижает зависимость от наземных радиотехнических средств.

Какие преимущества есть у GNSS перед другими системами?

GNSS обеспечивает глобальное покрытие и непрерывное определение координат. В отличие от наземных радионавигационных систем, не требуется развертывание локальной инфраструктуры на маршруте.

По точности позиционирования, особенно при использовании корректирующих технологий, GNSS превосходит традиционные радиомаяки и автономные инерциальные системы.

Какие существуют типы GNSS?

К глобальным навигационным системам относятся: GPS, ГЛОНАСС, Galileo, BeiDou

Они обеспечивают покрытие по всей планете.

NavIC относится к региональным системам и работает в пределах Южной Азии.

Современные геодезические приемники используют сигналы нескольких систем одновременно, что повышает устойчивость и точность решения.

Как обеспечивается точность GNSS?

Повышение точности достигается за счет использования корректирующих поправок от базовых станций или сетей референцных станций.

Двухчастотные и многодиапазонные приемники позволяют компенсировать влияние ионосферы.

В геодезической практике применяются технологии:

RTK - обеспечивает получение сантиметровых координат в реальном времени

PPP - позволяет получать высокоточные координаты без локальной базы при соответствующей обработке

Комплексное использование многосистемного приема, корректирующих поправок и современных алгоритмов обработки обеспечивает стабильный и точный результат.

Где применяются GNSS?

GNSS используется в транспорте, строительстве, геодезии, добыче, сельском хозяйстве и авиации. Технология применяется для навигации, создания карт, управления техникой и работы мобильных устройств. В профессиональной сфере GNSS обеспечивает координатную привязку объектов и контроль их положения.

Какие технологии используются в GNSS?

В основе работы GNSS лежит передача радиосигналов от спутников с точной временной меткой. На спутниках установлены атомные часы, формирующие эталон времени.

GNSS-приемник измеряет задержку сигнала и по разнице во времени рассчитывает расстояние до спутников. Для повышения точности применяются:

• дифференциальные поправки;
• технология RTK;
• технология PPP.

Эти методы позволяют существенно снизить влияние ошибок и повысить точность позиционирования.

Как GNSS используется в навигации?

GNSS определяет координаты транспортного средства или пользователя в режиме реального времени. На основе этих данных навигационная система отображает положение на карте и рассчитывает маршрут.

При изменении направления движения маршрут автоматически корректируется.

Какие преимущества у GPS перед ГЛОНАСС?

GPS дольше эксплуатируется в глобальном масштабе и поддерживается большинством навигационных устройств. Орбитальная группировка обеспечивает устойчивое покрытие по всему миру.

На практике современные приемники используют GPS и ГЛОНАСС совместно, что повышает точность и надежность позиционирования.

Какие недостатки у GNSS?

Точность зависит от условий приема сигнала. Плотная застройка, рельеф и растительность могут частично перекрывать сигнал и увеличивать погрешность.

Атмосферные условия влияют на распространение сигнала. Внутри помещений, тоннелей и под землей спутниковый прием невозможен без дополнительных технологий.

Какие преимущества дает использование GNSS в геодезии?

GNSS позволяет получать точные координаты точек без необходимости прокладывать протяженные измерительные ходы. Это сокращает время полевых работ и повышает производительность.

При использовании геодезических приемников и корректирующих поправок достигается сантиметровая точность.

Как GNSS влияет на точность измерений в строительстве?

GNSS используется для выноса проектных отметок, контроля положения конструкций и строительной техники. Координаты сопоставляются с проектными данными, что позволяет соблюдать геометрию и проектные размеры объектов.

Какие факторы влияют на точность GNSS-приемников?

На результат измерений влияют:

• количество и геометрия спутников;
• наличие препятствий и отражений сигнала;
• атмосферные условия;
• класс и технические характеристики оборудования;
• использование корректирующих поправок;
• правильность установки и настройки оборудования.

Ошибки оператора могут возникать при неправильной установке антенны, неточном измерении высоты вехи, выборе неверного режима работы или некорректной инициализации решения.

Чем больше спутников участвует в расчете, чем выше класс оборудования и чем корректнее организован процесс измерений, тем стабильнее и точнее итоговый результат.