Как работает мониторинг по спутнику: принцип действия спутниковых систем и особенности технологии

Самый известный пример ГНСС — ГЛОНАСС (Россия). Она транслирует как зашифрованные высокоточные сигналы специального назначения, так и гражданские сигналы, общедоступные в любой точке планеты.

Принцип работы

Суть действия любой спутниковой навигации основывается на оценке расстояния от антенны объекта до космических аппаратов, месторасположение которых известно с высокой точностью. Каждый спутник беспрерывно информирует о времени передачи и своем местонахождении. Приемник получает сведения от нескольких (минимум 4) космических аппаратов. Он определяет расстояние до каждого из них. Затем, используя методику геометрической триангуляции, высчитывает собственное положение в трехмерном пространстве.

Расстояние от космического аппарата до объекта рассчитывается с учетом продолжительности задержки — между отправкой сигналов и их получением приемником. Задержка во времени определяется по специальным атомным часам, находящимся на космических аппаратах.

Выделяют три ключевых сегмента ГНСС:

1. Пользовательский сегмент. В качестве принимающих устройств выступает самая различная техника — от специализированных геодезических установок до мобильных телефонов. Они принимают сведения спутников и вычисляют собственные координаты.
2. Наземный сегмент. На Земле расположена сеть станций слежения, контролирующих местоположение космических аппаратов, просчитывающих их эфемериды (траектории) и корректирующих их орбиты.
3. Космический сегмент. Орбитальные аппараты непрерывно передают информацию о точном времени и своем местоположении.

В каждом сегменте имеет значение количество работающих космических аппаратов. Чем больше устройств в структуре ГНСС, тем сложнее создаваемая ими геометрическая фигура, и тем выше точность определяемых месторасположений объектов и времени.

Основные элементы ГНСС

Ключевые элементы навигационной системы зависят от типа сегмента. Пользовательский сегмент — приемники для обработки сигналов и вычисления координат. Наземный сегмент — сеть наземных станций, которые управляют космическими аппаратами и обновляют информацию. Космический сегмент — группы орбитальных спутников, с атомными часами для определения высокоточного времени.

Дополнительные элементы ГНСС — наземная радиосистема, передающая пользователям поправки, и наземные радиомаяки, увеличивающие достоверность результатов вычисления координатных сведений.

Обзор проектов ГНСС

Навигационные системы делятся на две большие группы — региональные и глобальные. Первые обслуживают потребителей на ограниченной территории. Допустим, пользователей нескольких соседствующих государств. Вторые отвечают за покрытие большей части поверхности нашей планеты.

Действующие и отработавшие глобальные спутниковые системы

Глобальные проекты, которые действуют в настоящее время:

• BeiDou — активно развиваемая навигационная сеть из Китая, имеющая как региональное, так и глобальное покрытие;
• Galileo — европейский проект, сделавший ставку на совместимость устройств и повышенную точность данных;
• ГЛОНАСС — российская сеть ГНСС, обеспечивающая высокоточное позиционирование и глобальный охват, в структуре задействовано свыше 24 космических аппаратов. Особенности — устройства самоконтроля (любой космический аппарат может самостоятельно перейти на другой набор аппаратуры при сбое параметров), высокая отказоустойчивость и помехозащищенность;
• Global Positioning System — американский проект, имеющий структуру, как у ГЛОНАСС.

Россия и Соединенные Штаты — мировые лидеры в сфере навигационных проектов. Первая на земле сеть была запущена в США в 1960 году. Проект Транзит существовал до 1996 года.

Глобальные исторические системы РФ

Глобальные исторические системы РФ: Циклон (1976–2010 гг.), Цикада (1976–2008 гг.) и Парус (1976 год). Последняя сеть имеет военное назначение.

Действующие и создаваемые региональные системы

На территории Франции работает навигационная спутниковая сеть DORIS. Жителей Индии и прилегающих стран обслуживает NAVIC.

Среди региональных решений, которые пока находятся на стадии разработки, самым значимым проектом можно назвать QZSS. Квази-зенитная сеть была задумана свыше 20 лет назад как коммерческая — с комплексом услуг для массового применения, вещания и связи на территории Японии и юго-восточных азиатских государств. В проекте — выделенная сеть дифференциальной коррекции и группа из 3 космических аппаратов на геосинхронных орбитах.

Применение системы навигации

ГЛОНАСС и другие навигационные сети используют в любых гражданских и промышленных областях. Основные направления и цели применения:

1. Наука — наблюдение за техногенными и природными процессами, мониторинг состояния окружающей среды.
2. МЧС — быстрое высокоточное определение координат оборудования и людей, оказавшихся в чрезвычайной ситуации. Оперативное решение иных ответственных задач при поисково-спасательных операциях.
3. Телекоммуникации — высокоточная синхронизация распределенных сетей и сетей связи.
4. Горнодобывающая, перерабатывающая промышленность, энергетика — синхронизации энергетических сетей, контроль трубопроводов, навигация буровых, землеройных и прочих установок.
5. Строительство — анализ технического состояния сооружений, зданий, выполнение геодезических мероприятий.
6. Лесное хозяйство, сельскохозяйственная сфера — отслеживание состояния угодий, полей, иных масштабных территорий. Точное определение положения спецтехники.
7. Картография, геодезия — проведение изысканий, кадастровых работ, процедур картографирования.
8. Бытовая техника, электроника — организация навигации в портативных гражданских устройствах (фитнес-часы, смартфоны).

Приоритетное направление для ГЛОНАСС — транспортная сфера. Крупнейшая российская спутниковая сеть обслуживает транспорт всех видов — железнодорожный, морской, авиационный, военный, автомобильный. Она контролирует перемещение объектов, обеспечивает их безопасность и синхронизирует расписания. Отечественные космические аппараты устойчивы к возможному действию средств РЭБ, вспышкам на солнце и сильным электромагнитным импульсам.

Продажу оборудования для современного ГЛОНАСС мониторинга ведет компания «ТРИАНГЛ». Предоставляются услуги монтажа и настройки — с гарантией высокого качества. Подбираются оптимальные решения для автомобилей такси, спецтехники, грузовиков, автобусов, прочих рабочих машин.

Дифференциальное измерение в ГНСС

Для максимальной точности координат (до пары десятков сантиметров) и времени, системы используют методику дифференциального измерения. Аппаратура учитывает поправки, получаемые из альтернативных источников.

Суть технологии:

• в зоне с известными географическими координатными сведениями размещается базовая станция — контрольный приемник;
• базовая станция вычисляет правки, сопоставляя известные данные с измеренными координатами. Затем, направляет правки приемникам потребителей по каналам связи;
• при решении рабочих задач, приемники потребителей принимают в расчет поправки контрольного приемника.

Способы определения правок различные. Первый вариант — методика изменения параметров: контрольный приемник вычисляет поправки к измеряемым сведениям (допустим, псевдодальностям) для всех спутников, которые только могут применяться пользователями.

Второй способ определения правок — методика коррекции координат: контрольный приемник направляет дополнительные сведения к измеренным в определяемой точке координатным данным.

Доставка дифференциальных поправок до потребителя может выполняться с использованием радиосвязи или телефонной связи. Возможно применение методики передачи цифровой RDS информации на частотах радиостанций FM.

Спутниковые системы с дифференциальным измерением — классификация

Основные виды ГНСС, в которых используются методы дифференциальной навигации:

• GDGPS (глобальные). Применяется группа наземных станций, которые собирают данные. Методика двухчастотных измерений помогает исключать ионосферные ошибки;
• WADGPS (широкодиапазонные). Используется группа наземных станций, которые собирают сведения и работают способом определения дифференциальных поправок. Достоверность вычисления — примерно 1 м и более;
• Локальные. Применяется лишь одна наземная станция, которая осуществляет измерения и формирует дифференциальные поправки. Станция находится в центральной части локации, величина которой может достигать 200 км. В центре локальной зоны обеспечивается достоверность местоопределения около 0.5–1 м. Однако на периферии зоны показатель снижается.

Дифференциальная спутниковая сеть может работать с кодовыми и псевдофазовыми измерениями. Псевдофазовые измерения дают высокоточные результаты определения месторасположения объекта — с погрешностью в долю сантиметра. Однако радиус их действия в двухчастотном режиме не превышает 100 км, в одночастотном режиме — 10–12 км.

Методика кодовых измерений ГНСС базируется на замерах и обработке псевдодальностей. Как правило, радиус действия неограниченный. Однако неточности в предлагаемом месторасположении могут доходить до нескольких метров.

Минус метода дифференциального измерения: достоверность данных снижается с увеличением расстояния до базового приемника. Ситуация осложняется еще больше, чем у станции и потребителя наблюдается недостаток взаимной видимости — когда им не видны одни и те же спутники.

Характеристики системы спутников

Основным параметром ГНСС является величина погрешности результата. Современные решения способны определять месторасположение объектов с неточностью от нескольких сантиметров до пары метров. Пример (ориентировочные сведения):

• погрешность ГЛОНАСС — 3-6 м;
• погрешность GPS — 2-4 м.

В тех случаях, когда правильность данных должна быть самой высокой, специалисты компании «ТРИАНГЛ» предлагают одновременное применение обоих решений. Такая мера позволяет сократить погрешность до 1.5–3 м. Другие преимущества совместного использования навигационных устройств ГНСС:

• Повышенная помехоустойчивость. Российская и американская аппаратура функционируют в различных диапазонах частот — это уменьшает риск их подавления узкополосными помехами в одно и то же время.
• Полноценный мониторинг целостности. GPS имеет ограниченные возможности автономного мониторинга целостности. Приемник или завершает вычисления, переходя в режим ожидания, или продолжает применять неисправный космический аппарат. Комбинированный приемник может «отбрасывать» те спутники, чьи показатели заведомо некорректные — значительно отличные от ожидаемых параметров.
• Стабильная работоспособность в сложных условиях. Предположим, при высокой туманности, плохой видимости неба, в районах с плотной застройкой многоэтажками. Комбинированные приборы правильнее и быстрее фиксируют местоположение.

Следует понимать, что сигналы любых установок ГНСС могут нарушаться помехами. Например, ионосферой, отражениями от зданий, атмосферными явлениями. Здесь, для получения высокоточных данных, можно использовать сервисы PPP. В отличие от RTK — кинематики реального времени, они не требуют доступа к информации наблюдения из нескольких или одной близ расположенной базовой станции.

Выбирать тип оборудования для навигации или его технические параметры самостоятельно необязательно. Обращайтесь за помощью к опытным консультантам «ТРИАНГЛ». Мы предложим оптимальное решение конкретно для вашего случая. Предоставленные вам гарантии будут распространяться как на саму технику, так и на правильность ее высокоточной настройки и монтажа. Консультации даются бесплатно.