Глобальные системы позиционирования

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 12Следующая ⇒

Среди важнейших составляющих точного земледелия— глобальные спутниковые навигационные системы. Именно с их появлением открылась принципиальная возможность перехода от традиционных технологий к тем, в которых можно варьировать воздействия на агроэкосистему с учетом локальной изменчивости свойств почвенного покрова в пределах поля [101].

Основной действующей системой сегодня является спутниковая навигационная система GPS (Global Positioning System— система глобального позиционирования). В научных и практических специализированных изданиях, в официальных документах аббревиатуру GPS часто относят исключительно к американской системе NAVSTAR (Navigation Satellites Providing Time and Range), хотя изначально предполагалось, что так будут называть все глобальные спутниковые системы позиционирования. Система NAVSTAR, первоначально разработанная для нужд американского военного ведомства, на долгие годы стала законодателем в области новых навигационных технологий по всему миру и первой доступной гражданскому пользователю системой спутникового позиционирования. Она остается единственной полностью развернутой глобальной спутниковой системой и применяется во всем мире. Военные США могут использовать ее в полном объеме (например, для высокоточного наведения на цель оружия массового поражения и др.), а гражданские пользователи во всем мире, включая пассажирские самолеты и корабли, по решению Министерства обороны США в любой момент могут быть лишены возможности принимать сигнал с американских навигационных спутников. Эта монополия не устраивает ни Россию, ни другие страны— Индию, Китай, Японию, страны Европы, которые разрабатывают собственные системы спутникового позиционирования. Поэтому в международных документах все системы, включая GPS, получили аббревиатуру GNSS (Global Navigation Satellites System— Глобальная навигационная спутниковая система). Американская же система NAVSTAR стала называться GPS NAVSTAR, а чаще просто GPS. В полном объеме она функционирует с середины 1990-х гг. и включает 24 орбитальных спутника, находящихся на геостационарных орбитах (примерно 17, 5 тыс. км. над уровнем моря), каждый из которых передает радиосигнал, содержащий данные о месторасположении, времени сигнала и основных параметрах спутника и наземных станций слежения, объединенных в общую сеть.

Передаваемые со спутников сигналы могут приниматься специальными GPS-приемниками (ресиверами). Получив информацию от нескольких спутников, приемник вычисляет свое положение в теоретической трехмерной системе координат, затем значения x–y–z конвертируются в координаты широты, долготы и высоты над уровнем моря. Для обеспечения точности вычислений GPS-приемник корректирует полученные со спутников данные с поправкой на скорость прохождения сигнала.

Все модели GPS-приемников являются универсальными, поэтому могут устанавливаться на любое оборудование и применяться там, где требуется определение координат на местности. Фермеры получают возможность использовать один и тот же ресивер на комбайне в период сбора урожая, а затем переставить его на трактор, поливочную машину и другую технику.

В России создается собственная Глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС). В ней координаты объекта на поверхности земли определяются с помощью получения абонентским приемником данных от одного или нескольких спутников, входящих в спутниковую группу, и последующего вычисления приемником координат на основе полученных данных. Спутники системы размещены на трех орбитах; в полностью развернутой системе должно быть по восемь активных спутников на каждой орбите. Орбиты спутников круговые, высота 19 100 км, угол наклона 64°, период обращения каждого примерно 11 ч 15 мин. Сигналы со спутников передаются в непрерывном режиме без запроса, следовательно, их прием доступен любому пользователю, имеющему приемник. Передаются два набора сигналов— так называемые гражданский и военный, закрытый специальным кодом. Для полноценного функционирования системы необходимо иметь на орбите 24 работающих спутника и около 6 резервных. Также целесообразно наращивать наземный сегмент системы, что позволит повысить точность определения координат за счет дифференциальной коррекции. Для охвата территории России системой ГЛОНАСС требуется как минимум 18 работающих спутников. Дальнейшее развитие ГЛОНАСС связано с повышением точности навигационного определения, улучшением предоставляемого пользователям сервиса, повышением срока службы и надежности бортовой аппаратуры спутников, улучшением совместимости с другими радиотехническими системами и развитием дифференциальных подсистем.

Европейская спутниковая навигационная система Galileo, в отличие от GPS и ГЛОНАСС, предназначена только для гражданского использования. Система должна быть полностью развернута к 2013 г., чтобы обеспечить пять основных функциональных сервисов: Open Service (открытый); Safety of Life Service (жизнь и безопасность); Commercial Service (коммерческий); Public Regulated Service (общественно управляемый); Search and Rescue Service (поисково-спасательный). В 2003 г. к системе Galileo присоединился Китай, в 2004 г.— Израиль. Результаты исследований показывают, что Galileo сможет обеспечить более высокую точность позиционирования по сравнению с GPS, поскольку, несмотря на использование того же диапазона частот, что и для GPS, при передаче сигналов Galileo используется более совершенная модуляция.

Наряду с перечисленными, в мире могут появиться и другие спутниковые навигационные системы. Китай намерен создать собственную глобальную многоспутниковую навигационную систему класса GPS, получившую наименование Compass. В этой стране уже эксплуатируется региональная навигационная система Beidou на базе трех геостационарных спутников (два основных и один резервный КА BD-Beidou), которые были запущены в 2000–2003 гг. Наряду с этим Китай подписал дополнительный протокол к двустороннему соглашению с Бразилией о продолжении совместной разработки спутников по исследованию ресурсов Земли. Рассматривается также возможность создания совместного бразильско-китайского предприятия для коммерциализации изображений, полученных обоими спутниками, а также строительства станций приема и обработки изображений.

Индия объявила о планах создания национальной спутниковой навигационной системы IRNS (Indian Regional Navigation System). В отличие от глобальных систем GPS, ГЛОНАСС, Galileo и Compass индийская система будет состоять из 7 аппаратов на 24-часовой орбите (три спутника на геостационарной орбите и четыре на наклонных геосинхронных) для создания координатно-временного информационного поля на Индийском субконтиненте и в акватории Индийского океана.

Задача определения своего местоположения достаточно сложная, так как для вычисления собственных координат на местности необходимо вычислить координаты нескольких спутников, т. е. знать их точное местоположение относительно приемной аппаратуры. Наряду с этим существует влияние ионосферы и тропосферы, где скорость сигнала замедляется, а также естественных и искусственных препятствий для прохождения радиоволн. Сигнал имеет свойство отражаться от поверхности, поэтому приходится решать одновременно несколько задач и корректировать сигнал от спутников с помощью наземных станций и других беспроводных технологий. Увеличение точности позиционирования можно обеспечить различными способами.

Сеть наземных станций. Станции передают информацию о разнице измеренной и реальной псевдодальности, и ресиверы могут корректировать информацию по их сигналам. Этот метод называется Differential GPS (DGPS). Современные модели DGPS-приемников имеют связь со стационарной станцией по радиоканалу, передают сведения о своем местонахождении и получают откорректированные данные. Приемник может измерить время получения сигнала с точностью до 1%. В абсолютном выражении эта величина, определяющая точность позиционирования, может составить от нескольких сантиметров до нескольких миллиметров.

Система SBAS (Space Based Augmentation System— космические вспомогательные системы). В литературе также встречается название WADGPS (Wide Area Differential GPS— глобальная дифференциальная GPS). Система состоит из наземных станций, калькулирующих коррекцию GPS-сигналов и передающих их ряду спутников на геосинхронных орбитах для передачи на GPS-ресиверы, в том числе информацию о задержках в ионосфере, погрешности индивидуальных часов спутников и т. д. В мире существует три глобальные системы дифференциальных поправок: в США— WAAS, в Европе— EGNOS, в Японии— MSAS.

Наряду с глобальными существуют широкодиапазонные (Wide Area Differential GPS, WADGPS) и локальные (Local Area Differential GPS) зарубежные системы дифференциальной коррекции. Наибольшую точность позиционирования обеспечивают локальные системы. Примером является единственная система, принадлежащая производителю сельскохозяйственной техники, — локальная спутниковая система StarFire фирмы John Deere. Она предоставляется пользователям сельскохозяйственной техники, оснащенной системами параллельного вождения, выпускаемыми фирмой. Градация ее сигналов начинается с бесплатного сигнала SF, обеспечивающего точность ±30 см. Следующий сигнал SF обеспечивает точность до ±10 см, но требует лицензии на использование.

На территории России основными видами дифференциальной коррекции являются европейская система EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Services), японская MSAS (Multifunctional Satellite-based Augmentation System) и спутниковый дифференциальный сервис OmniSTAR компании Fugro. Сигналы EGNOS и MSAS передаются по каналам геостационарных телекоммуникационных спутников, что позволяет достигать относительной точности параллельного вождения 15–30 см. OmniSTAR базируется на передаче дифференциальных поправок через геостационарные спутники, формирующие направленные пучки над определенными районами земной поверхности. Этот сервис платный и предусматривает несколько видов подписки в зависимости от требуемой точности и региона работы GPS-приемников. Наиболее точный сервис обеспечивает точность на уровне 5–10 см.

Российская система дифференциальной коррекции и мониторинга (СДКМ) создается под руководством Федерального государственного унитарного предприятия «Российский научно-исследовательский институт космического приборостроения» (ФГУП «РНИИ КП»).

Локальная система корректировки (LAAS) аналогична SBAS, но данные передаются из локального источника. Позволяет дополнять систему GPS путем предоставления пользователям дифференциальной коррекции за счет широковещательной передачи данных в УКВ-диапазоне. Такая корректировка полезна на небольших расстояниях— 30–50 км от передатчика. Максимальную точность (до 1–3 см) гарантируют поправки от локальной базовой станции, которая устанавливается на краю поля. Она представляет собой чемодан массой до 4 кг, в котором находятся GPS-приемник, антенна, радиомодем. Для работы по этой технологии на трактор устанавливается радиомодем. Поправки от базовой станции передаются по радио, поэтому ее использование требует оформления лицензий на высокочастотный или ультравысокочастотный радиоканал.

Расширение применения спутниковой навигации во всех областях экономики превращает глобальные навигационные спутниковые системы в средство, обеспечивающее социально-экономическое развитие всех стран мира. Появление в обозримом будущем навигационных систем в ряде других государств, особенно Китая и стран Евросоюза, открывает новые возможности для потребителей, обеспечивая более надежную и точную непрерывную навигацию в сложных условиях с ограниченной видимостью.

Наряду с очевидным требованием обеспечения совместимости всех спутниковых навигационных систем, т. е. таких условий функционирования каждой, чтобы они не создавали друг другу помех, появляется необходимость взаимодополняемости всех глобальных и региональных спутниковых навигационных систем и их функциональных дополнений, в первую очередь ГЛОНАСС и GPS, Galileo. Понятие взаимодополняемости включает использование общих стандартов гражданских навигационных сигналов, систем координат и шкал времени, что позволит значительно упростить аппаратуру потребителя и технологии обработки информации, уменьшить ее стоимость, массу, габариты, энергопотребление. Фактически мировое сообщество вплотную подошло к созданию международной глобальной навигационной системы, состоящей из отдельных независимо управляемых самостоятельных национальных спутниковых навигационных систем, которые работают по согласованным международным стандартам в предоставлении гражданских услуг.

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒