Сьогодні майже неможливо уявити геоінформацію без GNSS. Навіть більшість геодезичних служб перейшли на GNSS для підтримки геодезичної референцної мережі замість використання традиційних оптичних методів. У цій статті розглядається сучасний стан GNSS як з точки зору сузір’я, так і з точки зору підсилювачів і приймачів. Спойлер: це скоріше революція, ніж еволюція!
Глобальні супутникові навігаційні системи GNSS є скрізь. Якщо ви спробуєте уявити собі геоінформацію без GNSS, у вас, мабуть, нічого не вийде. Дехто може сказати: “А як же мій тахеометр?”. Але, можливо, вони забувають, що більшість геодезичних служб вже давно перестали знімати контрольні точки за допомогою традиційних оптичних методів і перейшли на GNSS для підтримки геодезичної референцної мережі. Тож яким є сьогоднішній стан справ у сфері GNSS?
Групування GNSS
Кількість супутників GNSS не змінювалася протягом останніх кількох років. Якщо перерахувати їх у порядку, в якому вони вперше почали повноцінно функціонувати у своїй нинішній конфігурації, то це: американська система GPS, російська Глонасс, китайська Beidou і європейська Galileo. Насправді, Galileo не варто включати до цього списку повністю функціонуючих систем, оскільки на момент написання цієї статті лише 21 із запланованих 27 плюс 3 супутників були повністю придатні для використання, а ще два перебували на стадії введення в експлуатацію. Будемо сподіватися, що Galileo також досягне свого повного робочого статусу в якийсь момент у 2022 році.
Окрім цих чотирьох глобальних навігаційних супутникових систем, існують ще дві регіональні системи. Японська QZSS є, мабуть, найвідомішою з них; завдяки геостаціонарним і квазізенитальним геосинхронним супутникам система забезпечує покриття Японії. У 2023 році планується запустити ще три супутники для QZSS, що доведе сузір’я до семи супутників, які забезпечуватимуть позиціонування над Японією (і Австралією). Друга регіональна система – NavIC (або IRNSS, як вона була відома до 2016 року), яка обертається над Індією. Знову ж таки, з геостаціонарними і геосинхронними супутниками, ця система покриває Індію і Індійський океан. Оскільки і QZSS, і NavIC є суто регіональними, вони не можуть бути використані за межами свого регіону. Це різко контрастує зі “справжньою” GNSS, хоча Beidou насправді є і регіональною, і глобальною; система використовує геостаціонарні і геосинхронні супутники над Китаєм, а також супутники, що обертаються навколо світу на середній навколоземній орбіті, як і три інші GNSS. Перевагою цього є значно покращене покриття над Китаєм (і Австралією). Як наслідок, найкраще покриття GNSS у світі мають, мабуть, австралійці, з п’ятьма доступними системами. Індія також може використовувати п’ять систем для навігації, хоча вона знаходиться ближче до краю покриття Beidou.
З точки зору розвитку різних систем, структура сигналу залишилася незмінною для більшості систем, а вдосконалення в основному стосувалися управління і позиціонування самих супутників. Незважаючи на відносно невеликі покращення, вони мають значний вплив, оскільки більш точно позиціонований супутник означає кращу точність наземного позиціонування. Єдина система, яка була вдосконалена, – це Глонасс. Починаючи з 2018 року, було запущено серію супутників з новим сигналом L3OC. Цей сигнал CDMA простіше реалізувати, ніж так звані “стандартні” сигнали FDMA, оскільки сигнал CDMA використовує технології, подібні до тих, що застосовуються в інших GNSS. Однак з моменту останнього запуску (у 2020 році) минуло вже більше року, і – особливо з огляду на поточну конфліктну ситуацію – поточні плани щодо Глонасс залишаються туманними.
Існуючі системи корекцій до GNSS-вимірювань.
Чи то для геодезії та інших професійних геоінформаційних робіт, чи то на смартфонах або в транспортних засобах, чи то в США, Європі або Азії, рідко використовується “raw” сигнал GNSS, а скоріше покращений, доповнений сигнал. Це відбувається завдяки низці “безкоштовних” (тобто спонсорованих державою) космічних систем доповнення (SBAS): WAAS в США, MSAS в Японії, Egnos в Європі та Gagan в Індії. Інші системи перебувають на різних стадіях розробки або сертифікації, зокрема SDCM (росія), KASS (Корея), BDSBAS (Китай), SouthPAN (Австралія), SACCSA (Південна/Центральна Америка і Карибський басейн) і A-SBAS (Екваторіальна Африка). Кожна з цих систем по суті функціонує однаково. Контрольні (“базові”) станції на землі приймають сигнали супутникового позиціонування і порівнюють фактично отримані сигнали з очікуваними. На основі ряду цих вимірювань розробляється набір поправок для зони підсилення, які передаються на геостаціонарний супутник, звідки вони надсилаються назад на приймачі в частотних діапазонах GNSS. Ці супутники часто можна розпізнати на схемі неба за “високими” номерами супутників, які вони показують.
Через досить великі площі, які охоплює SBAS, точність, що досягається в результаті, є задовільною, але не надто високою. Якщо для зйомки земельних ділянок потрібна висока точність по горизонталі та вертикалі, використовують кінематичні або RTK-системи доповнення в реальному часі. Залежно від налаштувань, геодезисти можуть використовувати власну базову станцію з UHF-поправками, наприклад, або скористатися існуючою мережею. Якщо використовується існуюча мережа, вони можуть використовувати поправки з однієї бази – але часто вони використовують віртуальну опорну станцію, за допомогою якої мережа “обчислює” набір поправок так, як якщо б базова станція була розташована на ділянці зйомки або поблизу неї. При використанні власної базової станції та подальшій обробці результатів (замість того, щоб використовувати їх у реальному часі), можна навіть досягти субсантиметрової точності. Недоліком RTK є те, що радіус дії обмежений приблизно 50 км від (віртуальної) базової станції. Тому використання RTK може бути проблематичним, особливо у віддалених районах з обмеженою геодезичною або комунікаційною інфраструктурою.
Точне позиціонування (PPP) знаходиться десь посередині між цими двома технологіями. Хоча воно не таке точне, як RTK, перевага PPP полягає в тому, що воно працює на великих площах без необхідності встановлювати власну базову станцію. У PPP дані з наземних станцій використовуються для моделювання локальних помилок у спостереженнях GNSS (а не для передачі поправок). Використовуючи ітераційний процес прогнозування модельних похибок і порівняння їх з реальними результатами, приймач ітераційно визначає автономне позиціонування з високою точністю. Для отримання модельних даних все ще потрібен канал зв’язку, але цей метод не обмежується радіусом дії в кілька кілометрів або необхідністю мати місцеві опорні точки. Новітні комерційні сервіси, що використовують все доступне покриття GNSS, зараз досягають субдециметрової точності як по горизонталі, так і по вертикалі.
Високоточний сервіс Galileo HAS (Galileo High Accuracy Service (HAS) | European GNSS Service Centre (gsc-europa.eu)) базується на тому ж принципі, але з горизонтальною точністю близько 20 см і вертикальною точністю близько 40 см. Очікується, що сервіс запрацює з 2024 року. Для окремих точок результати, подібні до комерційних систем, часто можна отримати (але без гарантій) за допомогою різних вільно доступних сервісів постобробки, таких як Auspos CSRS-PPP і Trimble CenterPoint RTX Post-Processing. Залежно від сервісу, може бути можлива постобробка кінематичних даних, а не лише статичних.
Приймачі GNSS
Як і будь-яке інше обладнання, GNSS-приймач постійно вдосконалюється. Однак, виходячи з останніх специфікацій, очевидно, що розвиток є скоріше еволюцією, ніж революцією. Мабуть, найбільшою зміною в GNSS-приймачі стало додавання IMU, що дозволяє користувачеві тримати полюс “під кутом” під час вимірювання. Хоча це вносить додаткову похибку від IMU, це дозволяє користувачеві проводити дослідження у важкодоступних місцях. Крім того, якщо не потрібна максимальна точність, дослідження можна проводити набагато швидше, оскільки користувачеві більше не потрібно чекати, поки бульбашка відцентрується, перш ніж проводити вимірювання. Залежно від марки і моделі приймача, досяжні кути нахилу складають від 15° до 60°.
Само собою зрозуміло, що другою важливою тенденцією є те, що пристрої стають дедалі меншими для використання на безпілотних літальних апаратах (БПЛА). Якщо кілька років тому постобробка кінематики на дроні вважалася б перевагою, то сьогодні багаточастотні RTK-системи починають ставати стандартом для систем високого класу. Ця тенденція дозволяє геодезистам отримувати набагато кращі моделі, не потребуючи великої кількості наземних контрольних точок для прив’язки фотографій до геодезичної мережі.
Висновок
Як зазначалося вище, за останні кілька років відбулися поступові зміни в позиціонуванні за допомогою GNSS. Завдяки постійному зростанню кількості групувань GNSS, подальшому розвитку систем корекції і модернізації приймачів, ситуація, продовжуватиме покращуватися в (найближчому) майбутньому.
Ще більше інформації про зміни в геодезичних технологіях можна подивитись тут: Індустріалізація 4.0 та геодезія – SystemNET – “Систем Cолюшнс”
ДЖЕРЕЛО: https://www.gim-international.com/content/article/the-incremental-improvements-in-gnss