CC BY
532
ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ТОЧНОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МАССОВОЙ АППАРАТУРЫ ПОТРЕБИТЕЛЯ ГНСС
Александр Петрович Карпик
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор, ректор, тел. (383)343-39-37, e-mail: rektor@ssga.ru
Леонид Алексеевич Липатников
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул.
Плахотного, 10, младший научный сотрудник, тел. +7 923-227-89-57, e-mail: lipatnikov_l@mail.ru
В современных условиях тема точного позиционирования привлекает всё большее внимание специалистов и ученых. Целью настоящего исследования является популяризация идеи точного позиционирования с применением массовых технических средств, к которым можно отнести большинство современных смартфонов и автомобильных навигационных устройств. В статье обозначены некоторые задачи, решение которых позволит сделать значительный шаг вперед в области навигации и расширить спектр применения технических средств.
Ключевые слова: глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС), массовая аппаратура потребителя, наземная инфраструктура, навигация, топография.
PROBLEMS AND PERSPECTIVES OF PRECISE POSITIONING USING LOW-GRADE GNSS DEVICES
Alexander P. Karpik
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Doctor of Engineering, professor, rector, tel. (383)343-39-37, e-mail: rektor@ssga.ru
Leonid A. Lipatnikov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., junior researcher, tel. +7 923-227-89-57, e-mail: lipatnikov_l@mail.ru
Nowadays the theme of precise positioning is attracting increasing attention of specialists and scientists. The aim of the presented research is popularization of precise positioning using low-grade GNSS modules that are applied in smartphones and car navigation systems. Some problems to be solved to make a significant step forward in the field of navigation and create new application opportunities for that class of hardware are discussed.
Key words: Global Navigation Satellite Systems (GNSS), low-grade devices, ground infrastructure, navigation, topography.
Одним из актуальных направлений развития глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) является повышение точности позиционирования объектов с использованием аппаратуры потребителей, ориентированной на массовое применение. В настоящее время появляется возможность значительного повышения точности позиционирования с помощью средств, доступных широкому кругу пользователей, не являющихся профессионалами в области геодезии и навигации. Прежде всего, такая возможность связана с адаптацией дифференциального метода
позиционирования, который предполагает использование корректирующей информации, получаемой от наземной инфраструктуры ГНСС. Расширение доступности этой инфраструктуры для различных групп пользователей -это важный этап совершенствования геодезического обеспечения устойчивого развития территорий, сложной задачи, рассмотренной в работах [1, 2]. Необходимо отметить, что решение данной задачи, в частности развитие инфраструктуры, а также выполнение геодезических работ наивысшей точности в ближайшие десятилетия останется прерогативой высококвалифицированных геодезистов.
Примером наземной инфраструктуры ГНСС является геодезическая сеть активных базовых станций Новосибирской области [3, 4, 5], созданная Сибирской государственной геодезической академией (СГГА), коллектив которой обладает значительным опытом практической работы и теоретических исследований в области космической геодезии [6, 7].
Наземная инфраструктура ГНСС и дифференциальный метод позиционирования на протяжении многих лет активно применяются при выполнении геодезических работ. Однако их возможное применение в сочетании с массовой аппаратурой потребителя ГНСС создаёт некоторую специфику, которую необходимо учитывать.
В зависимости от назначения и применяемых методов позиционирования аппаратура потребителя ГНСС подразделяется на несколько классов, подробно описанных в [8 с. 153-158]. В частности, выделяют аппаратуру геодезическую, топографическую и навигационную (для космической, воздушной, морской, автомобильной и персональной навигации). Можно также условно разделить аппаратуру на профессиональную и массовую. Массовая аппаратура предназначена для широкого круга пользователей, не требует от них профессиональной подготовки, доступна по цене и в последние годы нашла широкое применение. К массовой аппаратуре потребителя ГНСС можно отнести устройства для персональной, автомобильной навигации и контроля автотранспорта. Примерами являются:
- средства мобильной связи и миниатюрные компьютеры, оснащённые навигационными модулями;
- телеметрические терминалы систем мониторинга автотранспорта, в том числе системы «ЭРА-ГЛОНАСС»;
- специализированные устройства персональной и автомобильной навигации.
Перечисленные средства обладают следующими особенностями.
Комплексность. Современные массовые средства позиционирования включают помимо модулей ГНСС другие виды датчиков: акселерометры, гироскопы, наклономеры, магнитометры, видеокамеры, баровысотомеры, а также средства связи. Совместное использование разнородной измерительной и корректирующей информации создаёт возможности повышения точности и устойчивости оценок местоположения объекта и его
ориентировки, а также возможности автономного позиционирования в отсутствие сигнала ГНСС [9].
Массовость. Разработчики данного класса устройств вынуждены в большей мере ориентироваться на следующие целевые характеристики продукта: приемлемую стоимость, простоту эксплуатации, эргономичность, компактность, энергоэффективность. Такой подход сказывается на составе и качестве измерительной информации. Аппаратура данного класса, как правило, позволяет выполнять только одночастотные ГНСС-измерения, которые характеризуются высоким уровнем шума и подвержены влиянию отражённых сигналов (многопутности).
Ограничения точности измерений обусловлены, с одной стороны, компромиссными техническими решениями, заложенными при создании массовой аппаратуры. С другой стороны, существуют нормативные ограничения [10], связанные с контролем распространения технологий военного и двойного назначения.
В настоящее время точность позиционирования абсолютным методом в режиме реального времени с использованием массовой аппаратуры потребителя характеризуется среднеквадратическими погрешностями определения координат порядка нескольких метров. При использовании корректирующей информации, оперативно получаемой по каналам мобильной связи от наземной инфраструктуры ГНСС, возможно значительное уменьшение погрешностей - до дециметрового уровня в режиме Real Time Kinematic (RTK). Это потребует решения ряда проблем, к которым относятся:
- адаптация методов дифференциальной коррекции ГНСС для массового применения, оптимизация объёма корректирующей информации, передаваемой по сетям мобильной связи;
- уменьшение влияния многопутности навигационных радиосигналов, ионосферной задержки и других внешних факторов на результаты позиционирования;
- учёт положения фазовых центров принимающих антенн и других факторов, обусловленных конструктивными особенностями массовой аппаратуры потребителя ГНСС;
- разработка методов гарантированной оценки точности позиционирования.
На последующих этапах функциональность массовых средств позиционирования может быть значительно расширена за счёт решения следующих задач:
- разработка оптимальной методики фильтрации разнородной измерительной информации, получаемой с помощью ГНСС, инерциальных навигационных систем и других, для повышения точности и робастности позиционирования, а также обеспечения возможности автономной навигации при кратковременном отсутствии сигналов ГНСС;
- совершенствования моделей гравитационного поля и их применение для определения нормальных высот на дециметровом уровне точности [11].
Повышение точности позиционирования и определения нормальных высот с помощью массовой аппаратуры потребителя ГНСС до дециметрового уровня позволит значительно расширить сферу применения такой аппаратуры. Рассмотрим некоторые специфические задачи, решение которых становится возможным в этом случае.
Точный контроль автотранспорта: выявление случаев нарушения правил дорожного движения в процессе мониторинга транспорта, а также при разборе дорожно-транспортных происшествий.
Доступная топография: возможно применение массовой аппаратуры в качестве более дешёвой альтернативы профессиональной аппаратуре топографического класса широким кругом пользователей. В частности такая аппаратура может применяться при создании и редактировании сообществом пользователей открытых онлайн-карт, таких как OpenStreetMap [12], Wikimapia [13] и других. Широкое внедрение данного класса средств позиционирования позволит вывести процесс создания и редактирования открытой картографической информации на качественно новый уровень.
Точная персональная навигация может применяться, например, при поиске небольших малозаметных или скрытых под грунтом, водой или снегом объектов: центров геодезических пунктов, подземных или подводных коммуникаций, скважин и так далее. Точная персональная навигация будет востребована в первую очередь на сложных объектах: промышленных площадках, железнодорожных станциях, объектах энергетики и других.
Решение некоторых инженерных задач, в частности при геодезическом обеспечении производства земляных работ. Применение массовых средств точного позиционирования в данном случае позволит выполнять значительную часть таких работ при минимальном участии специалистов в области геодезии.
Результаты исследований по совершенствованию массовых средств точного позиционирования в дальнейшем могут быть применены при разработке систем помощи водителю, систем навигации сельскохозяйственной техники для «точного земледелия», систем управления перспективных беспилотных комплексов - от миниатюрных летательных аппаратов до автомобилей. Однако основным, наиболее важным результатом обеспечения широкой доступности позиционирования на дециметровом уровне точности станет перераспределение ролей на рынке геоинформации. Решение более широкого спектра задач станет доступно самим потребителям геоинформации: строителям, геологам, персоналу сложных технических объектов, работникам коммунальных служб, а также любым другим пользователям массовых средств позиционирования.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Карпик А. П., Лисицкий Д. В. Современная геодезия в эпоху глобализации // ГЕО-Сибирь-2010. Пленарное заседание: сб. матер. VI Междунар. научн. конгр (19-29 апреля
2010 г.) Новосибирск: СГГА, 2010. - С. 4-6.
2. Карпик А. П. Системная связь устойчивого развития территорий с его геодезическим информационным обеспечением // Вестник СГГА. - 2010. - Вып. 1 (12). -С. 3-13.
3. Карпик А. П., Сапожников Г. А., Дюбанов А. В. Реализация проекта наземной инфраструктуры глобальной навигационной спутниковой системы «ГЛОНАСС» на территории Новосибирской области // ГЕ0-Сибирь-2010. Пленарное заседание : сб. матер. VI Междунар. научн. конгр (19-29 апреля 2010 г.) Новосибирск: СГГА, 2010. - С. 57-62.
4. Определение координат пунктов сети базовых станций Новосибирской области в общеземной системе координат / А. П. Карпик, А. П. Решетов, А. А. Струков, К. А. Карпик // VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля
2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 1, ч. 1. - С. 3-8.
5. Карпик А. П., Дюбанов А. В., Твердовский О. В. Обзор состояния, использования и развития сетей референцных станций на основе инфраструктуры ГЛОНАСС в России // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр., 10-20 апреля 2012 г., Новосибирск : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. Т. 1. - Новосибирск : СГГА, 2012. - С. 184-190.
6. Сурнин Ю. В. История создания и развития межкафедральной научноисследовательской лаборатории космической геодезии (воспоминания научного руководителя лаборатории) // Вестник СГГА. - 2010. - Вып. 2 (13). - С. 128-145.
7. Антонович К. М. Первые GPS/ГЛОНАСС измерения в СГГА // Вестник СГГА. -2010. - Вып. 2 (13). - С. 146-151.
8. Антонович, К. М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии: монография. В 2 т. Т. 1. - М.: Картгеоцентр, 2005. - 334 с.
9. Абсолютное кинематическое позиционирование одночастотным фазовым ГНСС-приемником, интегрированным с инерциальными датчиками / К. М. Антонович, Н. С. Косарев, Д. Ю. Першин, А. С. Щербаков // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъёмка. - 2013. -№ 4/с. - С. 3-8.
10. Указ Президента РФ от 17 декабря 2011 г. № 1661 «Об утверждении Списка товаров и технологий двойного назначения, которые могут быть использованы при создании вооружений и военной техники и в отношении которых осуществляется экспортный контроль».
11. Сурнин Ю. В. О создании активной координатно-гравитационной основы на ограниченном участке земной поверхности с помощью ГЛ0НАСС/GPS-измерений // VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). -Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 1, ч. 2. - 2011. - С. 203-214.
12. OpenStreetMap [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
http://www.openstreetmap.org/about
13. Wikimapia [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://wikimapia.org/about
© А. П. Карпик, Л. А. Липатников, 2014
