Введение в ГНСС. Глава 9 - ГНСС приложения и оборудование.

«Каждому поколению нужна новая революция». Томас Джефферсон, влиятельный отец-основатель и третий президент США.

Не будет преувеличением сказать, что применение ГНСС произвело революцию и будет ее продолжать в том, как работают предприятия и правительства, и как мы ведем нашу личную жизнь.

В этой главе освещаются некоторые из невероятных приложений и оборудования ГНСС, которые сейчас доступны.

Приложения

В короткой книге невозможно описать все примеры использования ГНСС. Мы выделим некоторые из коммерческих приложений, в том числе:

• Потребительский сегмент

• Транспорт

• Управление машинами и механизмами

• Точное земледелие

• Строительство

• Добыча полезных ископаемых

• Геодезия

• Аэрофотограмметрия

• Картографирование

• ГИС

• Службы точного времени

• Морские работы

• Беспилотные автомобили

• Военное применение

• ГНСС оборудование

Потребительский сегмент

Технология ГНСС была с энтузиазмом принята потребительским рынком и используется в постоянно расширяющемся ассортименте продукции. Приемники сигналов ГНСС теперь обычно интегрируются в смартфоны для поддержки приложений, отображающих карты с указанием местоположения и наилучшего маршрута до магазинов и ресторанов. Портативные навигационные устройства дают водителю указания по дороге или бездорожью, как показано на рис. 60. 

Геокэшинг - это мероприятие на открытом воздухе, в котором участники используют приемник ГНСС для поиска контейнеров (называемых «тайниками» или «схронами») по всему миру. В настоящее время большинство потребительских приложений ГНСС основано на GPS, но это изменится по мере внедрения большего количества других спутниковых созвездий.

Транспорт

«Я знал, что сяду не на тот поезд, поэтому уехал рано». Йоги Берра.

На железнодорожном транспорте ГНСС используется в сочетании с другими технологиями для отслеживания местоположения локомотивов и железнодорожных вагонов, автомобилей технического обслуживания и придорожного оборудования и отображения его на центральных пультах мониторинга. Знание точного местонахождения железнодорожного оборудования снижает количество несчастных случаев, задержек и эксплуатационные расходы, повышая безопасность, пропускную способность ж/д путей и качество обслуживания клиентов.

В авиации ГНСС используется для навигации самолетов во время вылета, в полете и до момента посадки. Системы ГНСС облегчают навигацию воздушных судов в удаленных районах, которые плохо обслуживаются наземными навигационными средствами, и является важным компонентом систем предотвращения столкновений и систем, используемых для улучшения подлетов к взлетно-посадочным полосам аэропортов. Упоминаемая в главе 5 система WAAS предоставляет поправки GPS и сертифицирована как неотъемлемая часть авиационной промышленности США, обеспечивающая воздушным судам возможность выполнения точных заходов на посадку в аэропортах.

На морском транспорте ГНСС используется для точного определения местоположения судов, когда они находятся в открытом море, а также при маневрировании в перегруженных портах. Системы используются для подводной съемки, определения местоположения буев, определения навигационных опасностей, дноуглубительных работ и картографии.

В наземном транспорте в настоящее время во всем мире используются системы определения местоположения транспортных средств и автомобильные навигационные системы. Многие автомобили оснащены навигационными дисплеями, которые отображают местоположение и статус автомобиля на картах. ГНСС используется в системах, которые отслеживают и прогнозируют движение грузов и отслеживают загруженность дорожных сетей, повышая эффективность и безопасность водителя.

Автоматизация портовых служб

Использование систем ГНСС в судоходных терминалах может повысить их операционную эффективность, отслеживая движение и размещение контейнеров на портовых складах.

Рельсовые (козловые) краны используются в портах по всему миру для подъема и перемещения транспортных контейнеров, как показано на рис. 61. Они большие, и иногда ими трудно точно управлять в переполненном судоходном доке.

Многие краны оснащены устройствами рулевого управления на основе ГНСС, которые определяют положение крана и отслеживают его движение по заданной траектории, повышая точность и производительность, а также повышая безопасность операторов и портовых грузчиков на земле. Ключевым преимуществом является быстрое перемещение контейнеров по порту, что снижает порчу груза и сокращает время доставки.

Беспилотные автомобили

Одно из наиболее впечатляющих применений ГНСС – рост числа проектов беспилотного транспорта, как дорожного, так и внедорожного. Как мы обсуждали в главе 8, Сообщество Автомобильных Инженеров (SAE), определило уровни автономности от 0 до 5 (рис 53). С достижением уровня автономности выше 3, транспортное средство самостоятельно отслеживает изменения в окружающей среде и выполняет маневры вождения. Точность позиционирования, надежность и целостность, необходимые для критически важной с точки зрения безопасности автономности, требуют сочетания высокоточных ГНСС технологий, датчиков и поправок. Примерами первых реализаций автономных транспортных средств являются шаттлы в университетских кампусах, сервисы курьерской доставки и службы такси.

Несколько университетов участвуют в исследованиях и разработке автономных мобильных платформ. Одним из примеров является проект Университета Айовы «Automated Driving Systems (ADS) for Rural America», в котором уже используются частично автоматизированные автобусы, курсирующие по сельской местности Айовы для повышения уровня мобильности населения пожилого возраста, проживающего в отдаленных областях с ограниченным наличием транспорта.

Автоматизация парковок

В канадском городе Калгари оплата парковки на улице автоматизирована. Клиенты платят за парковку через уличные терминалы или с помощью своего смартфона, а мониторинг припаркованных автомобилей осуществляется с автомобилей, оснащенных камерами и приемником ГНСС.

Когда клиент платит за парковку, он вводит номерной знак своего автомобиля, код, который идентифицирует парковку, и количество необходимого времени для парковки. Эта информация отправляется в базу данных. Когда автомобиль наблюдения проезжает по улице, камеры транспортного средства фиксируют номерные знаки припаркованных автомобилей.

Номерной знак, а также время и положение, предоставленные приемником ГНСС, сравниваются с базой данных платной парковки. Если автомобиль не найден в базе данных, фотография отправляется сотруднику Управления парковки Калгари, чтобы он мог определить, есть ли уважительная причина (например, люди просто выходят из машины), есть ошибка при идентификации номерного знака. (например, D ошибочно принимается за O) или это является нарушением правил парковки.

Из-за узких городских коридоров в центре Калгари, местоположение, о котором сообщала бы только система ГНСС транспортных средств мониторинга, приводило к смещению 6-7% транспортных средств (примерно 1400 шт.) в день, и транспортные средства могли смещаться на расстояние до 600 метров. Эта проблема требовала много часов дополнительной работы сотрудников Управления парковки Калгари ежедневно, поскольку им приходилось вручную корректировать местоположение автомобилей, прежде чем они смогли бы определить, было ли нарушение правил парковки.

Навигация снегоочистителей в Андах

Высокогорные дороги в аргентинских Андах обеспечивают важнейшую связь для местных сообществ, трансграничных перевозок и торговли. В течение зимнего сезона эти дороги заносит снегом, что усложняет навигацию и зачастую делает их опасными. Даже специальной технике и механизмам, поддерживающим эти маршруты открытыми, требуется помощь в навигации, когда снежные заносы затрудняют движение по дорогам.

Чтобы снегоочистители смогли поддерживать эти дороги доступными для движения, они оснащаются ГНСС приемниками с технологией позиционирования PPP, которая позволяет быть уверенным, что в сложных условиях снегоочиститель останется на проезжей части даже тогда, когда водитель не в состоянии видеть дорожные знаки.

Управление строительной техникой (Machine Control)

Технология ГНСС интегрируется в такую строительную технику, как бульдозеры, экскаваторы, грейдеры, асфальтоукладчики, чтобы повысить производительность при работе в реальном времени и предоставить оператору данные по обстановке на рабочем участке. Внедрение управления машинами на основе технологии ГНСС по своему влиянию схоже с более ранним внедрением гидравлических технологий в машиностроении, оказавшим огромное влияние на производительность и надежность.

• Эффективность: ГНСС помогает быстрее достичь желаемого уклона, ускоряя работу и сокращая капитальные и эксплуатационные расходы.

• Точность: точность, достигаемая на основе ГНСС, сводит к минимуму необходимость останавливать работу для измерения уклона геодезической бригадой.

• Управление заданиями: менеджеры и подрядчики имеют доступ к точной информации по строительной площадке, и эту информацию можно просматривать удаленно.

• Управление данными: пользователи могут распечатывать отчеты о состоянии, сохранять важные данные и передавать файлы в головной офис.

• Обнаружение факта кражи оборудования: ГНСС позволяет установить «виртуальный забор» вокруг своего оборудования или собственности с целью автоматической тревоги при их незаконном перемещении, а также постоянно отслеживать украденное оборудование и предавать данные о его местоположении, в том числе правоохранительным органам для его последующего возврата.

Точное земледелие

«Сельское хозяйство выглядит очень легко, когда твой плуг - карандаш, а ты за тысячу миль от кукурузного поля». Дуайт Д. Эйзенхауэр, тридцать четвертый президент США

В точном земледелии приложения на основе ГНСС используются для поддержки планирования хозяйственных работ, картирования полей, отбора проб почвы, управления тракторами и оценки урожая. Более точное внесение удобрений, пестицидов и гербицидов снижает затраты и уменьшает воздействие на окружающую среду.

Приложения с использованием ГНСС могут автоматически направлять сельскохозяйственные орудия по поверхности земли таким образом, чтобы контролировать эрозию и повышать эффективность ирригационных систем. Сельскохозяйственная техника может работать на более высоких скоростях днем и ночью с повышенной точностью. Это экономит время и топливо, а также увеличивает эффективность работы. Безопасность также повышается за счет значительного снижения утомляемости работников.

Сбор ягод 

Сельское хозяйство сталкивается с недостатком рабочих рук. По результатам недавних исследований, более 40% фермеров столкнулись с проблемой найма сезонных рабочих. Мотивированная угрозой сокращения рабочей силы, компания Harvest CROO Robotics создала полностью автономный комбайн для сбора клубники, традиционно трудоемкого процесса. В такой машине используются инновационные технологии для определения спелости плодов и роботизированные манипуляторы для сбора спелых ягод. Автономный комбайн оборудован двумя ГНСС приемниками в режиме PPP. Уровень точности ГНСС в режиме PPP при повторном движении ряд-к-ряду позволяет комбайну надежно следовать структуре гряд клубники без повреждения посадок. 

Автономное опрыскивание

Опрыскивание посевов используется для защиты от вредителей/болезней и повышения урожайности. Применение традиционных методов и оборудования для опрыскивания посевов, таких как рюкзаки, тракторы, и самолеты, сопряжено с ограничениями и рисками. Опрыскивание ручными инструментами может привести к высокому уровню токсикации и связанными рисками для здоровья человека. Тракторы могут портить посевы наездами при опрыскивании, угрожая снижением прибыльности фермерскому хозяйству. Пилотируемые самолеты ограничены доступностью аэропортовых обслуживающих служб и могут быть дорогими, делая практически невозможным их применение маленькими хозяйствами.

Использование беспилотных авиационных систем (UAS) для опрыскивания посевов снижает риски негативного воздействия для операторов, повреждения насаждений и соответствующие трудозатраты. Двухантенный ГНСС приемник с позиционированием в режиме RTK обеспечивает точное позиционирование и курсовую информацию, требуемые для успешного выполнения работ по опрыскиванию.

Строительство

Информация от систем ГНСС может использоваться для точного позиционирования режущей кромки отвала (например, на бульдозере или грейдере) или ковша (экскаватора), а также для сравнения этого положения с трехмерной цифровой моделью для расчета объемов выемки/насыпи.

«Системы индикации» предоставляют оператору визуальную информацию о выемке/насыпи с помощью дисплея или световой панели, а он затем вручную перемещает отвал или ковш машины, для выхода в/на требуемый горизонт. Автоматические системы для бульдозеров/грейдеров используют эти данные для управления гидравлическими устройствами, чтобы перемещать отвал машины для выравнивания.

Использование трехмерного управления машиной значительно сокращает количество геодезических обследований, проводимых на строительной площадке, снижая время и затраты. Исследования производительности неоднократно доказывали, что использование трехмерного управления машиной приводит к тому, что работа выполняется быстрее, точнее и со значительно меньшими объемами переделок, чем при использовании традиционных методов строительства.

Открытая горная выработка

Информация от ГНСС используется для эффективного управления разработкой рудных месторождений и перемещением отходов. Оборудование, установленное на экскаваторах и самосвалах, передает данные об их положении в управляемую компьютером диспетчерскую систему, для расчета оптимального маршрута движения самосвалов к каждому экскаватору и от него.

Информация о координатах также используется для отслеживания каждого бункера с материалом, извлеченным экскаватором, чтобы он был направлен в соответствующее место на шахте (дробилка, свалка отходов, площадка для выщелачивания). Данные о местоположении используется буровзрывными машинами для улучшения рыхлости горных пород и контроля глубины каждой пробуренной скважины для поддержания определенного уровня формируемых уступов.

Многоканальная спутниковая навигационная система особенно выгодна в условиях открытых горных выработок из-за отсутствия препятствий, создаваемых стенами шахты. Большее число принимаемых спутников означает большую доступность сигнала.

Применение ГНСС позиционирования в горнорудных работах может обеспечить не только оптимизацию процессов добычи, но также и открывает возможности автоматизированной, безопасной и более эффективной перевозки породы из карьера.

Автоматизация буро-взрывных скважинных работ

Автоматические буровые установки используются в карьерах для повышения безопасности и производительности. Один оператор, находящийся в безопасной диспетчерской, может управлять и контролировать до пяти автоматических буровых установок.

Скважины, пробуренные автоматическими сверлами, должны быть очень точными как по горизонту, так и по высоте. Определение положения скважины с высокой точностью по горизонту имеет решающее значение для контроля разрушения породы. Слишком большие или слишком мелкие фрагменты породы могут увеличить износ дробилок, используемых для обработки материала. Глубина отверстия, получаемая с высокой точностью по высоте важна для создания плоскости формируемого уступа.

На автоматизированных буровых установках используются три технологии - ГНСС, RTK, ИНС. RTK обеспечивает точное позиционирование, необходимое для определения местоположения взрывных скважин. ИНС обеспечивает центровку сверла, чтобы отверстия просверливались перпендикулярно.

Приемники, работающие с несколькими созвездиями ГНСС, компенсируют блокирования сигнала, типичные для высоких стен, характерных для открытых горных выработок.

Топографическая съемка

Съемка на основе ГНСС сокращает количество оборудования и трудозатрат, необходимых для определения положения точек на поверхности Земли, по сравнению с другими методами съемки. Используя наблюдения с использованием ГНСС, один геодезист может выполнить за день такой объем работ, который бы выполняла бригада из трех человек целую неделю.

Для определения координат новой точки съемки требуется измерить расстояния и азимуты от существующей (известной) точки съемки до нее. Для этого нужны угловые измерения с использованием теодолитов и линейные с помощью металлических рулеток, которые должны быть натянуты, чтобы минимизировать провисание и точно измерять расстояния. Если новая и опорная геодезические точки разделены большим расстоянием, процесс требует нескольких установок теодолита, а затем выполнения нескольких угловых и линейных измерений.

Используя ГНСС, геодезисты могут установить базовую станцию над существующей точкой съемки, а подвижный ГНСС приемник (ровер) над новой (определяемой) точкой, а затем записать измерение положения на подвижном приемнике. Это показывает, почему геодезическая отрасль была одной из первых гражданских отраслей, перенявших технологию ГНСС.

Сейсморазведка

При сейсмической разведке звуковые волны распространяются от источника (взрывчатые вещества или грузовик с вибрационным источником) через землю к массиву датчиков (геофонов). Знание точного местоположения и ориентации геофонов имеет решающее значение для успешной съемки.

При использовании традиционных методов размещение геофонов было двухэтапным процессом. Сначала группа обследует территорию и ставит маркеры для каждого геофона. Позже вторая группа размещает геофоны точно в отмеченных местах, а затем ориентирует геофоны с помощью компаса.

Использование геофонов с поддержкой ГНСС избавляет от необходимости сначала обследовать территорию. Геофоны с поддержкой ГНСС имеют приемник и две антенны, интегрированные в геофон. Приемник и двойные антенны позволяют геофону не только определять свое точное местоположение, но и ориентацию.

Аэрофотограмметрия

Аэрофотограмметрия - это запись изображений Земли (например, фотографий) с высотной точки, например с самолета. Системы этого типа в настоящее время чаще называют системами дистанционного зондирования, поскольку изображения могут быть получены с самолетов или со спутников. Раньше для изображений приходилось вручную корректировать их ориентацию, перспективу, высоту камеры и местоположение и вручную «сшивать» несколько снимков. Ручной процесс основан на точном совмещении известных точек на соседних изображениях.

Путем интеграции камеры с ГНСС+ИНС системами, теперь можно автоматизировать процесс в реальном времени или после окончания съемки, чтобы «передать» точное определение местоположения самолета и положение камеры на изображение.

Аэрофотоснимки используются в веб-картографических системах, таких как Google Earth или Яндекс.Карты. Многие из нас нашли свои дома и, возможно, даже автомобили с помощью этих приложений.

Технология ГНСС также интегрирована с LiDAR, оптической технологией дистанционного зондирования, используемой для измерения дальности до удаленных целей. Можно отобразить деталь или объект на длине волны, которая на частотах LiDAR составляет менее одной миллионной метра.

Картирование лесных пожаров

Чтобы бороться с лесными пожарами, необходимо знать местонахождение пожаров и любых горящих источников. Используя самолет, оснащенный инфракрасным датчиком изображения и системой ГНСС + ИНС, местоположения пожаров и источников огня можно спроецировать на топографические или трехмерные карты местности.

Картографирование Земли

Разработаны продукты, позволяющие делать панорамные фотографии на 360 градусов, для построения геометрически правильных изображений на экране компьютера. Эти изображения должны быть последовательны, непрерывны и иметь точно определенное местоположение.

Данные ГНСС и ИНС записываются до того момента, как будут сделаны панорамные фотографии. Данные о положении и ориентации заносятся в снимки, что позволяет на экране определять положения объектов на фотографиях или выполнять измерения между объектами.

Визуализация инфраструктуры

Используя систему LiDAR в сочетании с системой ГНСС + ИНС, пользователь может получать исчерпывающую визуальную информацию о важных инфраструктурах, таких как нефте- и газопроводы. Эта визуальная информация показывает состояние и расположение элементов инфраструктуры, а также связанных с ней активов. Это помогает в планировании сроков проведения обслуживания и модификаций.

Геопространственные информационные системы (ГИС) 

Геопространственная информационная система (ГИС) собирает, хранит, анализирует, управляет и предоставляет данные, связанные с местоположением различных объектов. Данные могут состоять из сведений об окружающей среде или ресурсах. ГИС также используется для отображения информации о страховых компаниях, муниципальных службах, коммунальных предприятиях и т.д.

Координаты, связанные с данными, могут быть определены приемником ГНСС. ГИС-приложения могут создавать подробные контурные карты на основе данных и представлять эти карты в цифровой форме.

Улучшение метеопрогнозов

Метеопрогнозы влияют на жизнь нашего сообщества и экономику весьма ощутимым образом, воздействуя на важные решения, которые руководители бизнеса и сотрудники службы общественной безопасности принимают каждый день. Так, один из важнейших компонентов точного прогнозирования – определение содержания водяного пара в атмосфере. Водяной пар играет критическую роль в гидрологической системе на глобальном уровне, и является ключевым компонентом в формировании облаков и в химическом составе нижних слоев атмосферы. Несмотря на его важную роль в прогнозировании, за состоянием водяного пара сложно наблюдать, особенно в суровую погоду.

ГНСС приемники применяются как вспомогательный инструментарий при наблюдении за водяным паром, одной из наиболее существенных составляющих задержки ГНСС сигналов при прохождении через тропосферу. Эти задержки сигналов можно рассчитать и применять для определения общего содержания водяного пара в атмосферном столбе, также известного как Интегральный показатель конденсируемого водяного пара (Integrated Precipitable Water Vapour, IPW).

Сеть распределенных по области прогноза ГНСС приемников делает возможным точное и достаточно надежное наблюдение за изменением IPW при любых погодных условиях. Такие измерения могут передаваться в модели fed прогнозирования погоды для улучшения предсказания важных погодных явлений, таких как ураганы и сильные штормы.

Приложения для определения точного времени

«Часы, а не паровой двигатель - это ключевая машина современной индустриальной эпохи». Льюис Мамфорд, американский историк технологий и науки.

Как мы упоминали в предыдущих главах, точность определения времени имеет решающее значение для вычисления местоположения методами ГНСС. Вот почему спутники ГНСС оснащены атомными часами с точностью до наносекунд. Как часть процесса определения координат, местное время приемников ГНСС сигналов синхронизируется с очень точным спутниковым временем.

Но эта информация сама по себе имеет множество возможностей для использования, включая синхронизацию систем связи, электросетей и регулирования финансовых потоков. Время, полученное с помощью ГНСС, хорошо подходит для любого приложения, где точное время требуется для устройств, разбросанных на большой территории.

Сейсмические мониторы, синхронизированные с часами спутников, могут использоваться для определения эпицентра землетрясения методом триангуляции на основе значений точного времени, когда землетрясение было идентифицировано каждым монитором.

Морские работы

В предисловии мы обсудили проблемы, с которыми первые исследователи сталкивались при определении своего местоположения в море. С появлением ГНСС эти проблемы в значительной степени исчезли.

Помимо высокоточной морской навигации, ГНСС также применяется в широком спектре морских приложений, таких как определение координат нефтяных вышек, прокладка и проверка подводных кабелей и трубопроводов, проведение спасательных операций, а также при дноуглубительных работах в портах и на водных путях.

Гидроакустические буи с ГНСС

Интересным применением является использование гидроакустических буев, оборудованных ГНСС, в подводных гидроакустических системах. Буи сбрасываются с самолета над интересующей областью и остаются в автономном плавании. Они обнаруживают приближающиеся суда и другие события на воде, передавая звуковые волны через воду, обнаруживая их отражения от судов и объектов, определяя время, необходимое для получения отраженного сигнала («эха»).

Данные поступают на поплавок гидроакустического буя, затем передаются вместе с данными о местоположении входящего в состав оборудования приемника ГНСС по радиоканалу на исследовательское судно. Исследовательское судно собирает и анализирует данные от большого количества гидроакустических буев, а затем определяет и отображает местоположение кораблей и объектов в интересующей области.

Картирование морского дна

Знание глубины морского дна в портах и судоходных каналах имеет решающее значение для безопасного морского судоходства. Карты портов и каналов создаются с помощью батиметрических гидролокаторов.

Батиметрические гидролокаторы, установленные на морском судне, принимают отраженные от морского дна звуковые волны и рассчитывают значения глубин. С использованием этих измерений и создается карта морского дна. Чтобы карты морского дна были точными, необходимо знать точное местоположение судна на поверхности воды.

Система ГНСС + ИНС, интегрированная с гидролокаторами, обеспечивает знание точного местоположения судна для каждого измерения сонара. Система ГНСС + ИНС также учитывает вертикальное положение судна для компенсации влияния волн.

Беспилотные аппараты

Беспилотное устройство - это устройство, которое не управляется человеком, находящемся непосредственно на борту, но находится под его контролем, независимо от того, управляется ли оно по радио или автоматически на основе данных о его положении, получаемых посредством ГНСС.

Существует много типов беспилотных транспортных средств, управляемых по радиоканалу или автоматически ведомых посредством устройств на основе ГНСС, в том числе: беспилотный наземный транспорт (UGV), беспилотный летательный аппарат (UAV), беспилотное надводное транспортное средство (USV) и беспилотное подводное транспортное средство (UUV).

Изначально беспилотные устройства использовались в основном в оборонной области. Однако по мере роста и диверсификации рынка беспилотных устройств их коммерческое использование также росло и диверсифицировалось.

Некоторые из возможных гражданских применений беспилотных транспортных средств на сегодня это - поисково-спасательные работы, мониторинг посевов, охрана дикой природы, аэрофотосъемка, исследования окружающей среды, инспекция инфраструктуры, батиметрия, обнаружение и обезвреживание наземных мин, инспекция HAZMAT и предотвращение стихийных бедствий. По мере расширения рынка гражданских беспилотных устройств будет расти и их использование в гражданских целях.

Исследование ураганов

Чтобы правильно подготовиться к урагану, важно знать, где ураган появится и насколько он будет мощным. Хотя метеорологи умеют предсказывать потенциальную траекторию урагана, гораздо труднее предсказать, насколько мощным будет ураган, когда он придет.

Чтобы узнать больше о причинах быстрого усиления или уменьшения интенсивности урагана, НАСА использует два БПЛА дальнего действия для изучения штормов, пока они еще находятся далеко в море. На борту БПЛА размещены метеорологические приборы, которые контролируют условия окружающей среды во время шторма и вокруг него.

БПЛА также имеют систему ГНСС + ИНС, которая регистрирует местоположение и ориентацию БПЛА для каждого измерения, выполняемого метеорологическими приборами. Чтобы измерения были полезными, необходимо знание точного местоположения и ориентации БПЛА.

Испытания парашютной системы космического корабля “Орион”

Прежде чем космический корабль Орион можно будет использовать для пилотируемых полетов, НАСА должно быть уверено, что “Орион” может безопасно приземлиться на Землю.

Ключевым аспектом безопасного возвращения астронавтов на Землю является замедление космического корабля Орион с его невероятно высокой скорости возврата, близкой к 32000 км/ч, до менее 36 км/ч. Это задача капсульной парашютной системы (CPAS). Для ее тестирования НАСА создало два беспилотных испытательных аппарата.

Эти испытательные машины были десантированы с самолета C-17 на высоте около 10 км. Система ГНСС+ИНС, установленная на испытательных аппаратах, измеряла их вертикальную скорость для проверки эффективности парашютной системы.

Доставка критически важных медицинских средств

Процесс доставки основных медицинских принадлежностей в больницы и поликлиники в отдаленных регионах часто бывает непростым. Большие расстояния и слабо развитая инфраструктура приводят к задержкам в доставке предметов снабжения, крайне необходимых для лечения пациентов. Применение БПЛА помогает повысить скорость доставки таких критически важных медицинских средств.

Обеспечение посадки беспилотного вертолета на корабль

Автономная посадка беспилотного вертолета является сложной задачей, поскольку навигационная система должна учитывать вызванное ветром влияние на движение вертолета. Эта проблема значительно осложняется если необходимо выполнить посадку на корабль в море.

Мало того, что положение вертолета меняется в зависимости от его движения и воздействия ветра, еще и корабль смещается относительно курса под воздействием, как ветра, так и моря. При посадке вертолета на корабль относительное расстояние между шасси вертолета и кабиной летного экипажа гораздо важнее, чем абсолютное положение вертолета и корабля.

Системы ГНСС + ИНС, установленные как на вертолете, так и на корабле, используются для определения этого относительного расстояния. Система на судне вычисляет его местоположение и отправляет эту информацию в систему на вертолете. На вертолете ГНСС система использует информацию о местоположении, отправленную с корабля, а также свое собственное местоположение для расчета относительного расстояния и азимута направления между кораблем и вертолетом.

Используя эти данные, беспилотный вертолет может самостоятельно приближаться и осуществлять посадку на летную палубу корабля.

Военное применение

В оборонном секторе широко используются технологии ГНСС, в том числе:

• Навигация: используя приемники ГНСС, солдаты и пилоты могут перемещаться по незнакомой местности или проводить операции в ночное время суток. Большинство пехотинцев используют портативные приемники ГНСС.

• Поисково-спасательные работы: если самолет терпит крушение и на нем есть поисково-спасательный маяк, оборудованный приемником ГНСС, его можно будет быстрее обнаружить.

• Разведка и создание карт: военные используют ГНСС для создания карт неизведанной или вражеской территории. С их помощью они также могут отмечать точки с данными разведки.

• Беспилотные устройства: беспилотные устройства широко используются в военных целях, включая разведку, логистику, целеуказание и создание ложных целей для противника, обнаружение мин, поисково-спасательные работы, исследования и разработки, а также миссии в незащищенных или загрязненных районах.

• Управление боеприпасами: высокоточные боеприпасы используют данные ГНСС, чтобы обеспечить точное попадание в цель.

ГНСС оборудование

Коммерческие ГНСС-приемники первого поколения стоили более 100 000 долларов. Теперь приемники уже встроены в смартфоны. Поставщики оборудования разработали широкий спектр оборудования для поддержки невероятного количества доступных сейчас приложений.

Как показано на рис. 69, ГНСС оборудование состоит из приемников, антенн и вспомогательного программного обеспечения с разным уровнем интеграции и производительности.

В зависимости от приложения антенна и приемник могут быть отдельными модулями или быть объединены в один корпус, как в портативном ГНСС приемнике. Оборудование ГНСС может быть дополнительно встроено в другие устройства, такие как геодезические или гидрографические приборы или средство навигации.

Требуемые технические характеристики ГНСС оборудования зависят от его применения. Например, пользователи должны учитывать следующее:

• Точность: для таких приложений, как съемка, может потребоваться точность до сантиметра. Другие, например для пеших прогулок, могут потребовать точности до десятков метров. Некоторые приложения требуют высокой точности положения относительно фактической контрольной точки или координат. Другим может потребоваться точность относительно предыдущей позиции. Если высокая точность достигается за счет применения методов дифференциальной ГНСС, может быть желательно, чтобы дифференциальная служба взаимодействовала вместе с приемником ГНСС, например, приемник SBAS или радиоканал с базовой станцией или роверами.

• Время инициализации: для некоторых случаев пользователям может потребоваться быстрое «время для первого определения», то есть время, необходимое приемнику ГНСС для получения местоположения сразу после включения. Для других приложений может быть не важно, чтобы «коррекция» выполнялась быстро.

• Надежность: данные о времени и положении в любой момент должны быть достоверными.

• Доступность: может потребоваться оборудование для непрерывного предоставления услуг определения местоположения даже в районах, где сигналы со спутников заблокированы. Как мы уже обсуждали, этот вопрос лучше всего решает оборудование, которое объединяет возможности ГНСС и ИНС. Может потребоваться, чтобы оборудование поддерживало несколько созвездий и частот, или чтобы оно хорошо работало в местах с высоким уровнем многолучевости из-за переотражения сигналов. Помните, что из главы 4, многолучевые помехи возникают из-за того, что часть мощности сигнала, передаваемого спутником, отражается (и, следовательно, задерживается) на пути к приемнику. При выборе ГНСС оборудования почти всегда приходится идти на компромисс между точностью, временем сбора данных, надежностью и доступностью.

• Защита от воздействия окружающей среды: пользовательскому оборудованию, возможно, придется работать в широком диапазоне температур и влажности, на большой высоте или в пыльной среде. Оборудование должно быть водонепроницаемым и защищено от дождя или погружения в воду.

• Защита от ударов и вибрации: оборудование может подвергаться сильным ударам или вибрациям, характерным для промышленных транспортных средств.

• Портативность: в зависимости от применения может потребоваться небольшое оборудование, например портативное устройство для походов или съемки.

• Соответствие нормативно-правовой базе: соответствие нормативным требованиям зависит от юрисдикции, в которой работает пользователь, например: o Стандарты выбросов, такие как FCC Часть 15. o Соответствие директиве Европейского Союза об ограничении использования опасных веществ (RoHS). o WEEE, директива Европейского сообщества, которая возлагает ответственность за утилизацию отработанного электрического и электронного оборудования на производителя оборудования.

• Хранение данных: от приемников может потребоваться возможность хранения информации о местоположении с отметкой времени, чтобы собранные данные могли быть обработаны приложениями после окончания работ.

• Физический размер и потребляемая мощность: пользователю может потребоваться приемник или антенна с малым форм-фактором и низким энергопотреблением. Например, для интеграции в конкретное приложение, такое как БПЛА.

• Пользовательский интерфейс: важен способ взаимодействия пользователя с оборудованием. Например, клавиатура для ввода команд, экран для просмотра данных о местоположении на карте или разъемы для вывода данных на другие устройства.

• Возможность выполнения вычислений: пользователям может потребоваться, чтобы оборудование предоставляло рассчитываемые данные, такие как скорость или курс.

• Модули связи: информация о координатах может быть полезной, только если она передается другому устройству, например, по сотовой радиосвязи.

• Перспективы развития: хотя некоторые сигналы и созвездия ГНСС могут быть еще недоступны, пользователям может потребоваться некоторая уверенность в том, что они смогут использовать их со временем.

Заключение

Как и «киберпространство», ГНСС уже здесь и сейчас. Широкое признание и применение ГНСС основаны на исключительно высокой производительности и надежности. Промышленность и государственные службы постоянно совершенствуют технологии и инфраструктуру, чтобы дать возможность разрабатывать новые решения на основе ГНСС.

В этой главе мы представили широкий спектр текущих приложений, чтобы проиллюстрировать, насколько полезны технологии ГНСС, как с точки зрения экономической эффективности, так и с точки зрения безопасности жизнедеятельности. ГНСС становится поистине повсеместной - широко распространенной и само собой разумеющейся. В любом месте и в любое время, здесь и сейчас.

«Раньше я думал, что киберпространство появится через пятьдесят лет. То, что, как я думал, будет через пятьдесят лет, наступило всего через десять лет. А то, что я думал, будет через десять лет ... оно уже было здесь. Я просто еще не знал об этом.» Брюс Стерлинг, американский писатель-фантаст.

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