CC BY
47
УДК 621.37
DOI: 10.33764/2618-981Х-2019-1-1-36-43
СОЗДАНИЕ ГНСС-ПРИЕМНИКА ДЛЯ РЕШЕНИЯ НАУЧНЫХ ЗАДАЧ
Станислав Олегович Шевчук
Российский институт радионавигации и времени, 192012, Россия, г. Санкт-Петербург, пр. Обуховской Обороны, 120ЕЦ, кандидат технических наук, руководитель проектного направления, тел. (903)936-78-53, e-mail: [email protected]
Вадим Николаевич Пономарев
Российский институт радионавигации и времени, 192012, Россия, г. Санкт-Петербург, пр. Обуховской Обороны, 120ЕЦ, руководитель проектного направления, тел. (965)816-65-50, e-mail: [email protected]
Елена Сергеевна Черемисина
Российский институт радионавигации и времени, 192012, Россия, г. Санкт-Петербург, пр. Обуховской Обороны, 120ЕЦ, ведущий инженер, тел. (911)255-65-58, e-mail: [email protected]
В статье описана концепция ГНСС-приемника геодезического класса точности для нужд научного потребителя. Приведены тенденции развития рынка ГНСС-технологий. Выполнен обзор актуальных задач, требующих наличия специализированной ГНСС-аппа-ратуры.
Ключевые слова: ГНСС, навигация, аппаратура, конструирование, научное применение, фазовые измерения, свободное ПО.
DEVELOPING GNSS-RECEIVER FOR SCIENTIFIC APPLICATIONS
Stanislav O. Shevchuk
Russian Institute of Radionavigation and Time, 120EC, Prospect Obukhovskoy Oborony St., Saint-Petersburg, 192012, Russia, Ph. D., Project Manager, phone: (903)936-78-53, e-mail: [email protected]
Vadim N. Ponomarev
Russian Institute of Radionavigation and Time, 120EC, Prospect Obukhovskoy
Oborony St., Saint-Petersburg, 192012, Russia, Project Manager, phone: (965)816-65-50, e-mail: [email protected]
Elena S. Cheremisina
Russian Institute of Radionavigation and Time, 120EC, Prospect Obukhovskoy
Oborony St., Saint-Petersburg, 192012, Russia, Leading Engineer, phone: (911)255-65-58, e-mail: [email protected]
In article the concept of geodetic GNSS-receiver adopted for scientific consumer's purposes is given. Main trends of GNSS technologies and market are considered. Scientific aims which require specialized GNSS-receivers are overwieved.
Key words: GNSS, geodetic instruments, device construction, scientific applications, phase measurements, open-source software.
Введение
В настоящее время гражданская аппаратура пользователя ГНСС широко представлена на рынке и может быть классифицирована исходя из различных критериев. Наиболее распространенной классификацией навигационной аппаратуры потребителя (НАП) ГНСС является классификация по классу точности:
- навигационные (кодовые) приемники - ГНСС-аппаратура, принцип измерений которой основан на использовании информации, содержащейся в дальномерном коде, передаваемом спутниками. Приемники данного класса обеспечивают точность позиционирования (СКП) на уровне нескольких метров
[1-4];
геодезические (фазовые) ГНСС-приемники выполняют измерения посредством анализа фазы несущей спутниковых сигналов на одной (L1), двух (L1+L2) и более частотах. Точность (СКП) - до единиц миллиметров (в зависимости от метода позиционирования).
Указанная классификация взята из научной литературы [1-8], однако важно отметить, что она не соответствует действующему стандарту [9].
Следует упомянуть и некоторые другие классификации. Так, по используемым системам можно выделить:
- односистемные ГНСС приемники (принимающие сигналы только одной ГНСС, как правило GPS) [10, 11];
- мультисистемные ГНСС-приемники (принимающие сигналы двух и более систем в различных комбинациях).
Большую часть рынка занимают ГНСС-приемники, принимающие только GPS, а также мультисистемные приемники (рис. 1) [10, 11].
Рис. 1. Сигналы ГНСС, поддерживаемые гражданской аппаратурой потребителя (в процентах от общего числа производимых единиц) [10]
Система GPS в настоящее время используется в абсолютном большинстве устройств, а при отсутствии сигналов данной системы, функционирование части мультисистемных ГНСС-приемников невозможно.
Другой важный критерий классификации - сфера применения аппаратуры. В соответствии со стандартом [6] ГНСС-приемники применяют:
- на летательных аппаратах (воздушных судах);
- на морских (речных) судах;
- на космических объектах, ракетах-носителях, разгонных блоках, космических аппаратах и станциях и т. д.;
на наземных подвижных объектах (автомобильный, железнодорожный
транспорт);
- для решения задач мониторинга;
- для целей геодезического обеспечения задач различных потребителей. Чтобы представить долю различной аппаратуры можно воспользоваться
классификацией, предложенной Европейским космическим агентством в 2017 г. [10] (рис. 2).
Рис. 2. Количественное распределение производимых ГНСС-приемников
по сфере их применения
Приведенные данные позволяют увидеть масштаб распределения сегментов рынка [10, 11]. В том же отчете даны прогнозы развития рынка (объемы суммарного дохода) (рис. 3).
Исходя из данного прогноза, рынок дополнительных услуг (ПО и вспомогательные технологии) будет значительно превышать рынок непосредственно устройств. Стоит отметить, что данные на рис. 2 и 3 представлены в разных единицах (в одном случае - в количестве производимых устройств, во втором -в денежном эквиваленте).
Рис. 3. Прогноз суммарного дохода за 2015-2025 гг. [10]
Кроме приведенных сегментов рынка стоит выделить еще один вид аппаратуры, который, в силу узкой специализации, как правило, не выделяют отдельно - аппаратура ГНСС для научного потребителя.
Несмотря на малый размер фокус-групп такой продукции, есть все основания полагать, что разработка аппаратуры данной специализации с учетом пожеланий потребителя, может принести значительную пользу для развития как технологий ГНСС, так и для смежных научных дисциплин.
Одним из перспективных направлений развития производства ГНСС-аппаратуры АО «РИРВ» является разработка аппаратуры гражданского потребителя. В настоящее время идет подготовка аппаратуры нового поколения, разработка опций к которой под нужды различных потребителей является отдельной важной задачей.
В рамках данной публикации рассмотрена концепция ГНСС-аппаратуры геодезического класса точности, адаптированная под нужды научного потребителя в виде набора опций для геодезической профессиональной аппаратуры.
Задачи и тенденции научного применения ГНСС
Применение ГНСС научными организациями, как правило, связано с решением следующих задач:
- совершенствование существующей геодезической основы, развитие государственных геодезических сетей, в частности, фундаментальной астрономо-геодезической сети (ФАГС);
- применение ГНСС-аппаратуры для геодезического обеспечения различных специфических научных объектов, в том числе аэрокосмического базирования;
- исследование различных аспектов практического применения ГНСС-технологий в различных отраслях, разработка программно-аппаратных и методических решений для адаптации технологий к различным специфическим условиям и задачам;
- детальный анализ ГНСС-измерений в рамках наук о Земле: изучение атмосферы, движения тектонических плит, параметров гравитационного поля, а также в сейсмологии, метеорологии, океанографии и других науках;
- обучение профильных специалистов.
Как правило, перечисленные задачи решаются в рамках научных организаций и высших учебных заведений геодезического и смежного профилей, а также в инженерных организациях, внутри которых существует необходимость адаптации ГНСС-технологий для обслуживания уникальных конструкций и разработок.
Кроме того, внедрение ГНСС в новые области деятельности человека сопряжены с необходимостью научных исследований и разработок, связанных с адаптацией и усовершенствованием ГНСС технологий. К таким направлениям можно отнести [12-15], например:
- развитие беспилотного наземного, авиационного и морского транспорта;
- интеллектуальные системы контроля дорожного движения (в частности: контроль и оптимизация трафика, информационные услуги, «умное» страхование, коммерческие сервисы аренды транспорта/предоставления транспортных услуг, сервисы TRANTEL [12] в целом);
- совершенствование систем высокоточного кинематического позиционирования (точный автоматизированный заход на посадку, в морские/речные порты, отслеживание перемещения людей и животных);
- системы дополненной реальности (в том числе их применение в строительстве, моделировании и т. п.);
- глобальная синхронизация IT-систем (в банковском секторе, сетях телематики, в комплексах измерительной аппаратуры и пр.);
- различные гражданские приложения (LBS, спорт, страхование и пр.).
Требования к опциям приемника ГНСС для научного пользователя
Научное применение аппаратуры определяет необходимость более гибкого функционала и широких возможностей в настройке приемника. Кроме того, научный пользователь должен иметь расширенный доступ к данным на различных стадиях их обработки.
В целом, основным опциональным отличием ГНСС-аппаратуры для научного потребителя относительно стандартной является наличие следующих возможностей:
- обязательное наличие интерфейсов связи с различными внешними устройствами, такими как:
• внешние стандарты частоты;
• анализаторы сигнала;
• метеодатчики;
• командные приборы/источники «событий»;
- настраиваемый формат и протокол приема поправок для реализации RTK и RTPPP;
- настраиваемый формат сохранения сырых измерений;
- прием и хранение дополнительных данных по протоколам TCP/IP и FTP;
- вывод в реальном времени сырых данных, в том числе, первичных или разной стадии обработки;
- программируемый интерфейс внутреннего ПО на базе открытых ОС (например, ОС семейства Linux);
- возможность адаптации к работе с open-source приложениями (например, RTKLib), в том числе, в реальном времени;
- расширенный доступ к настройке модулей аппаратуры.
Таким образом, предложенная аппаратура сможет иметь максимальную гибкость и широкие возможности для контроля, исследований и адаптации под решение нестандартных научных и инженерных задач.
Кроме того, необходимо учитывать общие тенденции в развитии ГНСС-технологий:
- уменьшение габаритных размеров аппаратуры, энергопотребления, цены;
- многосистемность и увеличение количества частот приема спутниковых сигналов;
- расширение рынка и стандартизация OEM-поставок;
- повсеместная поддержка SBAS, в том числе, QZSS и СДКМ;
- повсеместное развитие наземной инфраструктуры ГНСС наземного и космического базирования;
- развитие решений для навигации в помещении (indoor);
- интеграция с другими сенсорами (например, датчиками инерциальных навигационных систем);
- применение сигналов других систем (псевдоспутников, систем сотовой связи и координированных Wi-Fi-точек и пр.) для компенсации срывов спутниковых наблюдений;
- обязательная поддержка передачи данных и определения местоположения в реальном времени;
- повышение вычислительной мощности встроенных микропроцессоров, переход к программируемым микрокомпьютерам;
- развитие алгоритмов работы с большими объемами данных (Big Data);
- встраивание ГНСС-приемников в мобильные устройства и многоцелевые чипы.
Проблемы, ограничивающие возможности научного потребителя
При разработке приемника, ориентированного на научного потребителя, могут иметь место сложности как технического, так и юридического характера.
Так, большинство чипов ГНСС-приемников не имеют возможности вывода необработанных первичных данных (в частности, сигналов, поступающих на корреляторы и на геопроцессор), что требует разработки собственной платы с такими функциями.
Для реализации доступа пользователя к данным и управления аппаратурой на низком уровне требуется создание проприетарного интерфейсного языка программирования или набора функций для доступа к функциям аппаратуры с подробной документацией.
Юридические сложности заключаются в том, что при внесении пользователям функциональных изменений в работу аппаратуры, очевидно изменяются ее характеристики, что станет проблемой при ее сертификации как средства измерения.
Кроме того, существует вероятность появления и других юридических сложностей, не прописанных в существующем законодательстве, возможных из-за изменения пользователем технических характеристик.
Выводы
Разработка ГНСС-аппаратуры, имеющей возможность опциональной адаптации под нужды ученых, на первый взгляд, едва ли может быть экономически эффективным направлением для предприятия-производителя. Вместе с тем такая аппаратура, при грамотной реализации, может собрать вокруг себя профессиональное и научное сообщество, способствующее как развитию самой аппаратуры, так и отрасли в целом.
По убеждению авторов, при разработке отечественной ГНСС-аппаратуры в АО «РИРВ» и других научно-производственных предприятиях, должны быть учтены как существующие тенденции классического потребительского рынка, так и потребности узкоспециализированных потребителей.
Указанные предложения требуют широкого обсуждения в научных кругах. Имеющиеся вопросы, препятствующие реализации необходимого функционала, также должны быть решены на уровне ответственных структур.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Антонович К. М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии : монография. В 2 т. Т. 1. - М. : Картгеоцентр, 2005. - 334 с.
2. Hofmann-Wellenhof, B. GNSS - Global Navigation Satellite Systems GPS, GLONASS, Galileo and more / B. Hofmann-Wellenhof, H. Lichtenegger, E. Wasle - Wien, New-York: Springer. - 2008. - 516 p. - Англ.
3. Leick, A. GPS Satellite Surveying / A. Leick. - New York: A Willey-Interscience Publication. - 1995. - 560 p. - Англ.
4. Соловьев Ю. А. Спутниковая навигация и ее приложения. - М. : Эко-Трендз, 2003. - 326 с.
5. Куприянов А. О., Майоров А.А. Современное состояние и перспективы развития применения ГЛОНАСС/ГНСС в Российской Федерации / CLGE: Documents [Электронный ресурс] // Режим доступа: http://www.clge.eu/documents/events/154/kupriyanov.pdf.
6. GPS-технология геодезического обеспечения геологоразведочных работ : метод. рекомендации / А. Г. Прихода, А. П. Лапко, Г. И. Мальцев, И. А. Бунцев ; науч. ред. А. Г. Прихода. - Новосибирск : СНИИГГиМС, 2008. - 274 с.
7. Антонович К. М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии : монография. В 2 т. Т. 2. - М. : Картгеоцентр, 2006. - 360 с.
8. Серапинас Б. Б. Глобальные системы позиционирования : учеб. пособие. - М. : ИКФ Каталог, 2002. - 106 с.
9. ГОСТ 31380-2009. Глобальные навигационные спутниковые системы. Аппаратура потребителей. Классификация. - М. : Стандартинформ, 2012. - 4 с.
10. GNSS Market report / GSA Europe [Elecrtronic resource]. - Режим доступа: https://www.gsa.europa.eu/system/files/reports/gnss_mr_2017.pdf - Англ.
11. GSA's 2015 Report Drives Deep into Global GNSS Market / GPS World [Elecrtronic resource]. - Режим доступа: http://gpsworld.com/gsas-2015-report-dives-deep-into-global-gnss-market/ - Англ.
12. Rizos, Ch. Trends in GPS Technology & Applications / ResearchGate [Electronic Resource]. - Режим доступа: https://www.researchgate.net/publication/267254924
13. Вейцель А. В. Улучшение характеристик навигационной аппаратуры с использованием будущих перспективных сигналов ГНСС // Вестник СибГАУ. - 2013. - № 6.- С. 42-49.
14. Математические модели и техническая реализация GOCA - онлайн-системы геодезического мониторинга и оповещения о деформациях природных и техногенных объектов, основанной на точных спутниковых (GNSS) и наземных геодезических наблюдениях (LPS/LS) / Р. Ягер, П. Шпон, Т. Шайхутдинов, Т. И. Горохова, А. Ю. Янкуш // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Пленарное заседание : сб. материалов (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск : СГГА, 2012. - C. 9-32.
15. Cefalo R. The Actual Perspectives of GNSS Multi-constellatio Services and Receivers for Kinematic Application / R. Cefalo, M. Calderan, F. Filippi [et al.] // New Advanced GNSS and 3D Spatial Techniques. - Springer. - 2018.- Р. 45-58.
О С. О. Шевчук, В. H. Пономарев, Е. С. Черемисина, 2019
