Системы спутниковой навигации
"...ни который сейчас час, ни какое число и какого месяца - Степа решительно не знал и, что хуже всего, не мог понять, где он находится".
М. Булгаков.
"Мастер и Маргарита"
Быстрое и, что не менее важно, точное определение местоположения объекта, а также использование полученных координат для управления им относились всегда к задачам первостепенной важности. Возможность решения навигационных задач с помощью сигналов от искусственных спутников Земли (ИСЗ) появилась достаточно давно (скоро сорокалетие со дня запуска первого ИСЗ), но за последние пять лет на российском рынке стали доступны и находят все новые мирные области применения так называемые системы глобального позиционирования (Global Positioning System - GPS).
"Каждому по карману"
365 дней в году, 24 часа в сутки, в любую погоду - так работает навигационное и геодезическое оборудование, основанное на спутниковых системах глобального позиционирования. Точность определения географических координат и высоты места уже измеряются сантиметрами.
Где я, с какой скоростью и куда двигаюсь? Эти вопросы сознательно или бессознательно периодически задает себе (и пытается на них ответить) каждый человек. Частота их возникновения зависит, разумеется, от рода занятий.
Глобальные системы позиционирования, первоначально разработанные для военных целей, быстро завоевали признание как удобный, точный и надежный инструмент решения ряда геодезических задач. Их сегодня применяют для определения границ землепользования, координат и высот препятствий на территориях, прилегающих, например, к аэродромам и радиотехническим комплексам, при создании опорных точек для ведения земельного и городского кадастра и т. п.
Эти системы обеспечивают не только автоматизацию сбора и хранения координатной информации, но и получение при подсоединении к компьютеру карт местности в цифровом виде.
Заметна тенденция к расширению рынка сбыта GPS-систем за счет почти что бытовых применений. GPS-аппаратуру берут с собой туристы и путешественники.
Появились и "негеографические" приложения.
Всегда и везде перевозка особо опасных, или дорогостоящих, или особо важных (или и то, и другое, и третье) грузов требует постоянного наблюдения за перемещением таких объектов. Последнее время крупные фирмы осознали экономическую целесообразность мониторинга принадлежащих им транспортных средств. Использование электронных карт для визуализации передвижений значительно повысило наглядность и эффективность таких приложений.
Функционально средства определения местоположения объектов подразделяются на сугубо навигационные, т. е. предназначенные для получения объектом своих точных географических координат, и на средства контроля и диспетчеризации перемещений объектов. Иногда важно знать одновременно и скорость объекта.
Существуют и успешно применяются традиционные наземные радиотехнические способы нахождения координат объектов. Они состоят в радиопеленгации передатчика, установленного на перемещающемся объекте, с нескольких базовых точек. Специальные антенны позволяют станциям слежения с достаточной точностью определить направление на объект и скорость его перемещения. Сигнал радиопередатчика может содержать идентификационный код объекта. Местоположение устанавливают по пересечению двух или более пеленгов.
Существует также способ обнаружения объектов и определения их координат с помощью различных специализированных радиолокационных средств. Обе эти возможности давно известны, и соответствующие технологии продолжают совершенствоваться. Но у них есть неустранимые недостатки: подверженность влиянию помех и ограниченный радиус действия.
Впрочем, не стоит забывать и о достаточно простых решениях задачи отслеживания маршрутов, которые применяются, когда транспортное средство должно следовать по строго предопределенному маршруту (трамвай, поезд, фуникулер, лифт...). В этом случае достаточно установить вдоль пути следования в точках с известными координатами датчики, срабатывающие при прохождении соответствующей транспортной единицы, и организовать передачу данных на диспетчерский пункт.
Для ориентации судов в прибрежных водах создаются навигационные радиосистемы с базовыми наземными станциями-"маяками". Однако с удалением от базовых станций точность работы снижается. Электромагнитные помехи тоже отнюдь не способствуют успешной навигации.
Достижения радиотехники, электроники и методов расчетов и измерений траекторий космических аппаратов привели к созданию приемников, работающих на основе сигналов спутниковой системы глобального позиционирования "Navstar". Ее создание обошлось Министерству обороны США более чем в 12 млрд. долл. Это 24 спутника на разных, но с очень высокой точностью рассчитанных орбитах, запускаемых так, чтобы в любое время с любой точки поверхности планеты были "видны" по крайней мере четыре из них. Период обращения каждого спутника - 12 ч. Высота - примерно 20 000 км. Средний срок службы - 7 лет. Параметры орбит, как уже говорилось, тщательно рассчитываются заранее, и во время полета минимум дважды в сутки регистрируются поправки к этим орбитам.
На всех спутниках "Navstar" установлен комплекс для надежного бесперебойного отсчета сверхточного времени, состоящий из нескольких "атомных" часов. С каждого спутника непрерывно передаются радиосигналы: специальным образом закодированные метки времени, позволяющие синхронизировать часы в наземных приемниках GPS и с очень большой точностью вычислять время прохождения радиосигнала от спутника до приемника. Применяемые для кодирования псевдослучайные последовательности дают возможность передавать эту информацию без значительных затрат мощности и принимать ее с помощью антенн очень малого размера.
Умножая время сигнала в пути на скорость распространения радиоволн, вычислительное устройство GPS-приемника находит дальность до спутника. Дальнейшие вычисления, приводящие к нахождению географических координат приемника GPS, сводятся к применению тригонометрии и уточняющих алгоритмов (см. врезку "Как это работает").
Часть этой системы была предоставлена для мирного использования и позволяет в любой точке земного шара определять местонахождение и скорость любых объектов, снабженных GPS-приемником. Правда, затем Соединенные Штаты ввели так называемый "селективный доступ" (Selective Availability - S/A), при котором искусственно снижается точность работы бортовых часов и соответственно точность измерений дальности.
Возвращаясь к задаче слежения за объектами, мы видим, что теперь радиопеленгация с наземных станций имеет альтернативу. Установленные на контролируемых объектах радиопередатчики могут непрерывно сообщать вычисленные GPS-приемниками координаты на диспетчерскую станцию.
В России уже есть примеры успешного внедрения этой пока еще экзотической технологии. В июле прошлого года служба инкассации "Инкомбанка" получила в свое распоряжение подобную систему под названием GPS/AVL Subsystem (Automatic Vehicle Location - AVL). Поставщиком и системным интегратором в этом проекте являлось АО "ПРИН", эксклюзивный представитель в России фирмы Trimble Navigation. Назначение GPS/AVL Subsystem - в реальном времени контролировать местоположение и некоторые параметры состояния инкассаторских автомобилей в пределах Москвы и ее аэропортов. На машинах установлено следующее бортовое оборудование: специализированный модем PSC со встроенным навигационным датчиком GPS; радиостанция Motorola GM900; резервный аккумулятор; пульт EchoXL для передачи формализованных сообщений и сигналов тревоги.
Диспетчерский пункт оснащен двумя информационными терминалами: AVL Manager, который в текстовом виде отображает состояние автомобилей, и вторым терминалом, где на электронной карте города непрерывно отображается общая ситуация и по выбору - укрупненные планы с отдельными автомобилями.
Электронная карта Москвы подготовлена двумя ведущими фирмами российского рынка ГИС-технологий: "Киберсо" и "Дата+".
Кроме мониторинга и управления транспортными средствами возможны и еще более "земные" области применения. Появились антиугонные комплексы для автомобилистов: GPS-приемник, спрятанный в угоняемом автомобиле, отслеживает координаты и с помощью радиопередатчика, также находящегося в автомобиле, передает их в соответствующее учреждение, где они отображаются на электронной карте.
Вот еще одно применение GPS-приемника. Представьте себе, что вам нужно зафиксировать точку на местности, затем удалиться от нее и затем вернуться точно туда же. Метод "Мальчика-с-пальчик" не всегда помогает в дремучих лесах, да и просто на сильно пересеченной местности. Карта и компас сами по себе не дают возможности понять, куда надо двигаться, поскольку не всегда известно собственное положение.
Теперь эта задача решается следующим образом. Оказавшись на месте, откуда начинается маршрут, вы включаете GPS-систему и она запоминает координаты данной точки местности. Теперь можно отправляться в путь. И как бы он ни был извилист и долог, вы уже не заблудитесь. В любой момент можно включить прибор и он определит новые географические координаты, сравнит с координатами исходной точки и высветит на миниатюрном дисплее вектор направления на эту точку, а заодно и расстояние до нее. Это хорошее дополнение к компасу, и здесь вполне достаточно самых дешевых одноканальных моделей GPS-приемников (примерно $500).
Конечно же расширению сфер применения способствуют быстрое снижение цен на эти приборы и их миниатюризация. Что касается спутников, то пока по решению американского правительства их сигналами могут пользоваться все желающие, но с ограничениями точности, которые могут вноситься вышеупомянутым режимом селективного доступа.
В недалеком будущем GPS-приемники могут стать одним из самых распространенных элементов повседневной жизни. Пока же эти редкие для мирных применений миниатюрные приборы вместе с соответствующим программным обеспечением распространяются на нашем рынке рядом ведущих зарубежных фирм и их российскими партнерами.
Список фирм и контактные телефоны:
АО "ПРИН" (эксклюзивно представляет компанию Trimble Navigation в России):
(095) 158-6967, 158-6966, 158-6968, 158-6969.
АО "Навигационные компьютерные технологии": (095) 437-0900.
Представительство Ashtech: (095) 956-5400.
Представительство Leica: (095) 271-1356.
Интересы Sersel Positioning в России представляет агентская фирма "Геоэкотехм":
(095): 267-4053.
Представительство Zeiss (Германия):
(095) 238-7610, (812) 350-4835.
Андрей Карасев
Как выбрать
Правильно выбрать оборудование в каждом конкретном случае могут, разумеется, те же организации, которые и представляют его, особенно если заказчик пожелает поручить им решение своих задач. Однако, просмотрев документацию для нескольких GPS-приборов, выпускаемых различными фирмами, трудно все-таки понять, чья же продукция оптимальна и соответственно с кем же следует иметь дело.
Прежде всего имеет смысл сформулировать, что же следует измерять. Требуется ли с высокой точностью фиксировать координаты отдельных точек, или же цель приобретения - управлять движущимся транспортным средством? Или же - только следить за перемещениями транспорта, не стремясь к высокой точности вычисления их координат? Или же необходимо еще и точно измерять скорости перемещений?
Далее следует решить, какое значение имеет для вас потребляемая приемником мощность. Насколько высоки должны быть его точность и надежность? И важнее ли они для вас, чем стоимость прибора?
Стоит рассмотреть и варианты температурных и динамических нагрузок на вашу аппаратуру.
А период старта? Какое время ожидания от момента включения прибора до вычисления координат вы считаете допустимым?
Зная ответы на перечисленные вопросы и ряд других, можно уже оценивать технические параметры предлагаемых приборов.
Приведем классификацию для дешевых GPS-приемников. Приемники последовательного действия имеют лишь один канал для связи, но для точного определения своего местоположения они все-таки должны получить информацию не менее чем от четырех спутников. Поэтому приемники принимают сигналы сначала от одного спутника, затем от другого и т. д.
Эти приемники сравнительно просты, маломощны и недороги. Но этим списком их хорошие качества и исчерпываются. Они имеют невысокую точность, не дают возможности удовлетворительно измерить скорость. Последнее объясняется тем, что в таких приемниках позиционирование (прием информации и определение собственных координат) происходит один-два раза в минуту, а в промежутках приемник автоматически отключается для экономии ресурсов источника питания.
Эти приборы хороши для турпоходов и водных маршрутов, когда на судне отсутствуют бортовые источники электроэнергии.
Далее в порядке нарастания возможностей и цены следуют одноканальные приемники с ускоренным переключением канала и двухканальные последовательные приемники. Наличие второго канала дает возможность уверенного приема сигналов в неблагоприятных условиях.
Наконец, приемники непрерывного действия. Они могут одновременно отслеживать по 4 и более GPS-спутника, выдавая почти мгновенно на дисплей значения текущих координат и скорости. Они нужны для очень точных геодезических измерений. Приемники этой группы имеют от 4 до 12 каналов. При таких возможностях снижения точности за счет так называемого геометрического фактора почти не происходит.
Приведем некоторые GPS-термины, часто встречающиеся в описаниях.
Произвольное положение (Anywhere fix) - приемник способен приступить к определению своих координат, не требуя начальных значений.
Отслеживание по несущей - кроме приема кода в приемнике происходит анализ параметров самого сигнала, что позволяет увеличить точность отсчетов времени.
Дифференциальное позиционирование - если один из нескольких находящихся недалеко друг от друга GPS-приемников (база) расположен в точке, координаты которой известны с высокой точностью, то он может вычислять поправки, которые следует вносить в спутниковую информацию. Находящиеся недалеко GPS-приемники могут учесть эти поправки при определении своих координат. Естественно, они должны каким-то образом узнавать эти поправки, вычисляемые в базовой точке. При наличии радиосвязи c этой эталонной точкой они могут в реальном времени выдавать уточненные координаты.
Стандартное позиционирование - обеспечиваемая одночастотным кодом свободного доступа точность, считающаяся достаточной для гражданских применений.
Статическое позиционирование - при обработке спутниковых сигналов в вычислениях предполагается неподвижность приемника. Это позволяет очень сильно повысить точность позиционирования за счет применения специальных методов усреднения.
Как это работает
Для определения собственных координат GPS-приемник использует метод триангуляции по космическим спутникам. Именно они играют роль опорных точек, координаты которых в любой момент времени известны.
Если нам известно расстояние только до одного спутника, то мы знаем, что находимся на поверхности воображаемой сферы с радиусом, равным этому расстоянию. Если теперь измерить расстояние до второго спутника, то мы получим вторую сферу, на поверхности которой мы также должны находиться. Множеством точек, общих для обеих сфер, является окружность - линия их пересечения. Зная расстояние до третьего спутника, мы уже получим всего две точки, в которых можем находиться. Все это верно лишь при предположении одновременности и абсолютной точности наших измерений.
Воспользуемся двумерной иллюстрацией: пусть мы находимся на плоской поверхности и измеряем расстояния до точек, координаты которых точно известны. На рисунке изображены всего две такие точки.
Принцип определения местонахождения
по замерам дальности
Условия задачи. Пусть расстояние от первой точки с известными координатами X1, Y1 до точки c неизвестными координатами X, Y (это мы с нашим приемником-дальномером) - 1 км, расстояние от второй точки (X2, Y2) - 2 км. Найти точку Х, Y.
Это элементарная задача при наличии циркуля и линейки.
Точки пересечения двух окружностей укажут расположение искомой точки. Теоретически возможны три случая: есть два решения, одно решение и ни одного, когда окружности слишком далеки друг от друга. Но в нашей задаче априорно известно, что точка пересечения существует: ведь в ней-то мы и находимся.
Алгебраически задача тоже элементарна и состоит в решении системы уравнений
(X-X1)2 + (Y-Y1)2= D12,
(X-X2)2 + (Y-Y2)2= D22, решив которую, найдем две возможные точки нашего местонахождения.
Воспользовавшись измерением дальности до третьей точки, не совпадающей с двумя первыми, мы избавимся от неопределенности, добавив еще одну окружность и еще одно уравнение.
Аналогично для трехмерного случая: зная расстояния до трех спутников, мы сможем по дальностям D1, D2 и D3 вычислить две точки, которые удовлетворяют трем уравнениям
(X-X1)2 + (Y-Y1)2+ (Z-Z1)2 = D12,
(X-X2)2 + (Y-Y2)2 + (Z-Z2)2 = D22,
(X-X3)2 + (Y-Y3)2 + (Z-Z3)2 = D32.
Добавив четвертое измерение, мы избавимся от неоднозначности. Но обычно это можно сделать на основе физических соображений. Например, по известной до измерений информации о своем местонахождении (ее можно ввести в приемник), по проверке, какая из вычисленных точек находится слишком далеко от поверхности Земли и т. п. В GPS-приемники заложены алгоритмы отбраковки фиктивных точек. В некоторых случаях высота объекта может быть точно известна, что позволяет обойтись всего двумя измерениями. Одна из таких ситуаций: морские суда почти всегда находятся на уровне моря.
И все же четвертое измерение необходимо. Ведь мы рассуждали в предположении абсолютной точности определения дальности. Но это невозможно. Более того, часы GPS-приемников значительно уступают в точности часам на спутниках, что приводит к сбою синхронизации отсчета времени и вносит ошибку в определение расстояний. Именно четвертое измерение дальности и позволяет устранить эту погрешность.
Есть еще одна особенность спутниковой триангуляции: не всякое расположение опорных точек (спутников) в пространстве обеспечивает одинаковую точность измерений. Чем меньше угол, под которым мы видим опорные точки, тем больше неточность определения координат. Этот чисто геометрический фактор снижения точности имеет аббревиатуру GDOP или DOP (Geom. Dilution of Precision).
Впрочем, новейшие многоканальные приемники (8, 10, 12 каналов) позволяют свести к минимуму эту ошибку. Они отслеживают все спутники, находящиеся в зоне их видимости (режим All-in-View).
