Введение в ГНСС. Глава 1 - Обзор ГНСС.

Введение в ГНСС. Глава 1 - Обзор ГНСС.
06.11.2020

Глава 1 - Обзор ГНСС

“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.

a6f70cbf4fa3b14feec0eb157c4e1bef.jpg

Рис. 1


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.


Раздел 1 - ГНСС СИСТЕМЫ

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.

Galileo (Европейский Союз): Galileo - гражданская система ГНСС, эксплуатируемая Европейским агентством глобальных навигационных спутниковых систем (GSA). Система обеспечивает глобальное покрытие.

BeiDou (Китай): BeiDou - китайская спутниковая навигационная система. Является глобальной спутниковой системой.

IRNSS (Индия): Индийская региональная навигационная спутниковая система. IRNSS обеспечивает обслуживание Индии и ее окрестностей. 

QZSS (Япония): QZSS - региональная навигационная спутниковая система, обслуживающая территории Японии и Азиатского региона, и Океании. 

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.


a6f70cbf4fa3b14feec0eb157c4e1bef.jpg

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.


a6f70cbf4fa3b14feec0eb157c4e1bef.jpg

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.


Раздел 2 - Сигналы ГНСС

Радиосигналы ГНСС довольно сложны. Их частоты составляют около 1,5 ГГц (гигагерц) - 1,5 млрд. циклов в секунду. ГНСС работает на частотах выше диапазона FM-радио, но ниже частот, излучаемых микроволновой печью. К тому времени, когда сигналы ГНСС достигают земли, они становятся очень и очень слабыми. Мы предоставим дополнительную информацию о том, как пользовательский сегмент решает эту проблему, в главе 2.

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.

a6f70cbf4fa3b14feec0eb157c4e1bef.jpg

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.


a6f70cbf4fa3b14feec0eb157c4e1bef.jpg

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.

a6f70cbf4fa3b14feec0eb157c4e1bef.jpg

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.


Раздел 3 - Применение технологии ГНСС

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.

a6f70cbf4fa3b14feec0eb157c4e1bef.jpg

Рис. 7


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.

a6f70cbf4fa3b14feec0eb157c4e1bef.jpg

Рис. 8


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.

a6f70cbf4fa3b14feec0eb157c4e1bef.jpg

Рис. 9


Подробнее о ГНСС -оборудовании мы поговорим в главе 8.

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.

Материалы взяты с сайта компании NovAtel. Ссылка на первоисточник: https://novatel.com/an-introduction-to-gnss

Нужна помощь специалиста?
Консультации от ведущих инженеров компании
Подробнее