CC BY
140
УДК 629.783:551.24
К.М. Антонович
СГГ А, Новосибирск
ТЕНДЕНЦИИ В РАЗВИТИИ ГНСС ТЕХНОЛОГИЙ
Аппаратура. Интенсивное использование СРНС требует огромного количества аппаратуры. Объем продаж оборудования по земному шару за 2003 г. оценивается в 16.5 миллиардов долларов, и ожидается, что в 2006 г. он возрастет вдвое (www.acci.or.ip/document library/Joumal/1070851168.pdf). На геодезическую аппаратуру, в которой используются измерения по фазе несущей, приходится около 10% от объема.
Эволюции спутниковых приемников происходит по следующим путям:
- Уменьшение в размерах, потреблении энергии и стоимости приемников, выпуск «одночиповых» приемников;
- Цифровая обработка сигнала, повышенная надежность и чувствительность, более высокий темп записи, уменьшенный шум наблюдений, сопротивление многопутности;
- Расширенные возможности геодезических приемников, вероятно, это будет двух- или трехчастотный ГНСС-приемник с увеличенной памятью, большей автоматизацией операций, оптимизированный для кинематического применения в реальном времени;
- Улучшение точности измерения псевдодальностей до сантиметрового уровня;
- Увеличение объема вычислительных возможностей в самом приемнике, получение конечных результатов непосредственно на пункте;
- Интеграция спутниковых технологий в комплексные геодезические и навигационные системы;
- Улучшение конструкций антенн, уменьшение в восприимчивости к многопутнсоти [2, 5, 8, 11].
Уже сейчас на рынке появились приемники и микросхемы под новые типы сигналов, как, например, трехсистемный 72-канальный чип GeNiuSS для сигналов GPS-ГЛОНАСС-Галилео (http://www.iavad.com).
Предпринимаются многочисленные попытки преодоления одного из самых неприятных недостатков спутниковых методов - невозможности позиционирования в условиях затенения сигналов спутников, то есть внутри помещений, на улицах городов и т. д. Многообещающие результаты получили канадские исследователи по испытаниям навигационного приемника с
высокой чувствительностью [6]. Разработан способ использования телевизионных сигналов как в аналоговой, так и в цифровой форме для определения положений. Тем же способом как работает GPS, специальный приемник может извлекать из принятых телевизионных сигналов временную информацию и с помощью дополнительной информации о поправке часов передатчика может определять плановые координаты приемника. А поскольку сигналы телевидения очень мощные, то можно получать положения даже внутри зданий, где обычный GPS приемник не работает
[7]. Тем не менее, основным направлением остается интегрирование спутниковых приемников с другими способами позиционирования (применение дальномеров, одометров, высотомеров, инерциальных систем и др.).
Теория математической обработки и программное обеспечение. Теория обработки спутниковых наблюдений постоянно совершенствуется. В последние годы большое внимание уделялось работам над алгоритмами для надежного разрешения неоднозначности фазы несущей, улучшению стохастических моделей обработки фазы, совершенствованию моделей и способов учета влияния среды распространения сигнала, углубление теории преобразования координат и высот. Одновременно происходит совершенствование форматов для передачи данных. Эти особенности приводят к постоянному совершенствованию программного обеспечения. Для него характерно:
- Улучшенные возможности с дружественным интерфейсом, большей автоматизацией при обработке;
- Разрешение неоднозначности "On-the-Fly" становится более уверенным, допуская позиционирование по фазе несущей в одну эпоху;
- Расширение разнообразия методик обработки в программных пакетах;
- Повышенные требования к мерам уверенности в качестве, особенно для режимов быстрой статики и кинематики;
- Расширение использования точных продуктов МГС, включая орбиты, тропосферные и ионосферные модели;
- Расширение диапазона улучшенных вторичных программ, например, для уравнивания сетей, ввода данных для ГИС и т. д.
Появились службы, выполняющие обработку наблюдений в режиме online. Разрабатываются алгоритмы для ГНСС-позиционирования [3].
Методы позиционирования. Высокоточная GPS технология становится основным средством для разнообразных геодезических работ. Начиная с решений в пост-обработке в начале 1980-х годов высокоточное позиционирование в реальном времени Real-Time Kinematic Positioning по GPS/ГЛОНАСС является одним из наиболее широко используемых методов измерений. Установленные в различных странах сети опорных станций заменяют традиционные опорные сети, закрепленные монументами. Для метода RTK из-за вынужденной необходимости в коротких расстояниях между опорной и мобильной станцией сети должны быть очень плотными, и не всегда национальные сети могут обеспечивать полный охват для RTK. Недостаточная плотность сетей успешно компенсируются с помощью концепции виртуальных опорных станций. При их использовании уменьшаются систематические ошибки, вызванные данными опорных станций. Это позволяет пользователю не только увеличить расстояние между опорной станцией и мобильной станцией, но также повысить надежность системы и уменьшить время на инициализацию мобильного приемника. Эту концепцию можно использовать для улучшения работы старых, уже установленных сетей. Сети опорных станций GPS были развернуты во многих странах Европы, Америки Азии и Австралии. Они являются основой
для использования концепции виртуальных базовых станций. Сети также используются для определения параметров геодезических систем координат, обеспечивая услуги для RTK и измерений с пост-обработкой. Они используются в кадастре, для картографирования.
В целом напрашиваются следующие выводы:
- ГНСС-позиционирование по фазе несущей быстро развивается за последнее десятилетие, так что теперь можно получать положение: в кинематическом режиме, в реальном времени и моментально;
- Стирается различие между точной ГНСС навигацией и ГНСС геодезией;
- При выполнении определенных условий (количество спутников, геометрия, длина базовой линии, точность кодовых измерений, совершенство алгоритмов моделирования внешних условий и т. Д.) Позиционирование по фазе почти неотличимо от позиционирования по псевдодальностям в методе DGPS, но при намного более высокой точности, поскольку становится возможным очень быстрое разрешение неоднозначности в движении;
- Сетевые методы смягчают критические ограничения в очень быстром разрешении неоднозначностей, допуская максимальные расстояния во многие десятки километров;
- Важную тенденцию представляет установление сетей из непрерывно оперирующих приемников, поскольку оно постепенно ведет к сетевому методу с пост-обработкой или обработкой в реальном времени.
Будущее точного кинематического позиционирования зависит от ряда факторов, включая разработку аппаратных средств, алгоритмов обработки и программного обеспечения, а также методик измерений, связь через Интернет и GSM, как и усиление GPS через использование псевдолитов, систем инерциальной навигации, сенсоров, применение систем WAAS, объединение с ГЛОНАСС, развитие системы Галилео и модернизацию GPS для передачи второй и третьей гражданской частоты. Все это значительно улучшит надежность, целостность и точность результатов позиционирования [10].
Считается, что статическое позиционирование сохранится в сетях непрерывного мониторинга, включая сети типа МГС, для построения государственных сетей класса ФАГС, ВГС, а также более низких классов в районах, где отсутствует инфраструктура для методов типа сетевой кинематики.
Системы координат и опорные сети. Прогресс в развитии средств и методов определения координат и, особенно, широкое внедрение в практику спутниковых навигационных систем требует постоянного совершенствования координатной основы и уточнения взаимосогласованных параметров общеземного эллипсоида и гравитационного поля Земли. Используемая для функционирования GPS система отсчета WGS84 приближена к системам отсчета ITRF.
Многие страны заново определяют свои национальные геодезические системы координат, чтобы они совпадали (на некотором уровне точности) с отсчетными основами ITRF [12].
Точность реализации системы координат ПЗ-90 не вполне соответствует современным требованиям точности при измерениях с использованием спутниковой технологии [1]. Поэтому получение новых реализаций Параметров Земли ПЗ-90 является одной из задач фундаментального координатно-временного обеспечения в России.
В условиях, когда геодезист, придя на точку, моментально получает координаты в нужной системе с абсолютной точностью на уровне сантиметра, построение опорных сетей в том объеме, как это выполнялось в классической геодезии, становится ненужным [4]. Однако для безопасности государства должна оставаться альтернатива спутниковому методу позиционирования, поскольку в условиях военных действий радио навигационные системы становятся достаточно уязвимыми.
Политика. Текущая политика ведущих стран мира отражает глубокое понимание роли и места ГНСС, как неотъемлемой части мировой экономической инфраструктуры и как средства укрепления национальной безопасности. В то же время, расширяющаяся и растущая зависимость от ГНСС военных, гражданских и коммерческих систем и инфраструктур делает многие из этих систем уязвимыми по отношению к внезапным перерывам в координатно-временных и навигационных услугах. Именно поэтому, поддерживается развитие дополняющих и резервных средств координатновременного обеспечения, нарядус повышением уровня помехозащищенности и развитием средств, обеспечивающих управляемое исключение доступа возможного противника к средствам и услугам СРНС (без ущемления интересов гражданских потребителей).
Страны, обладающие собственными ГНСС или создающие их, заинтересованы в обеспечении национальной безопасности и экономической независимости исключительно за счет собственных систем без какой-либо зависимости от зарубежных услуг координатно-временного и навигационного обеспечения.
Благодаря осознанию роли, которую играют вопросы координатновременного и навигационного обеспечения в общем стремительно развивающемся процессе вовлечения высоких информационных технологий во все сферы человеческой деятельности и, как следствие, повышенному вниманию со стороны администрации развитых стран к вопросам и технологиям космической навигации в этой области за последнее время достигнут значительный прогресс, который, наряду с планами модернизации СРНС GPS, ГЛОНАСС и создания новой европейской ГНСС Галилео, должен привести к качественно новому состоянию координатно-временного обеспечения потребителей во всем мире.
Заявляемые в проектных материалах точности навигации по сигналам ГНСС (от 5 до 15м), вероятно, будут превзойдены благодаря
совершенствованию средств и методов эфемеридно-временного обеспечения, приема и обработки сигнала в навигационном приемнике.
Проблемы использования и распространения современных навигационных технологий в РФ в значительной степени связаны с отсутствием сбалансированной нормативно-правовой базы, регламентирующей разработку, производство, применение и ввоз навигационной аппаратуры и других средств координатно-временного навигационного обеспечения. Существующая нескоординированная нормативно-правовая система регулирования деятельности в области космической навигации и геодезии не может способствовать созданию и развитию единой системы координатно-временного обеспечения. Именно поэтому необходимы корректировка существующего законодательства в области координатно-временной и навигационной деятельности и создание единой системы нормативно-правового регулирования этой деятельности.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Юркина, М.И. Действующие системы координат в России [Текст] / М.И. Юркина, Л.И. Серебрякова // Известия вузов «Геодезия и аэрофотосъемка». -2001. - № 3.
- С. 40-53.
2. Ashjaee, J. GPS: The Challenge of a Single Chip [Text] / J. Ashjaee // GPS World. -2001. - Vol. 12, No. 5. - P. 24-27. - Англ.
3. Feng, Y. Future GNSS performance. Predictions using GPS with a virtual Galileo constellation [Text] / Y. Feng // GPS World. - Vol. 16, No. 3. - 2005. - P. 46-52. - Англ.
4. Jager, R. Precise Vertical Reference Surface Representation and Precise Transformation of Classical Networks to ETRS89 [Text] /Jager, R., Kalber, S., Schneid, S., S. Seiler // ITRF - General Concepts and Realisation of Databases for GIS, GNSS and Navigation Applications in and outside Europe. Proceedings GNSS2003 - The European Navigation Conference, Graz, April 22-25, 2003. - Англ.
5. Langley, R.B. Smaller and smaller. The evolution of the GPS receiver [Text] / R.B. Langley // GPS World. - 2000. - Vol. 11, No. 4. - P. 54 - 58. - Англ.
6. MacGougan, G. Performance analysis of a stand-alone high-sensitivity receiver [Text] / G. MacGougan, G. Lachapele, R. Klukas, et al. // GPS Solutions. - 2002. - Vol. 6, No. 3. - P. 179 - 195. - Англ.
7. Martone, M. Prime Time Positioning. Using Broadcast TV Signals to Fill GPS Acquisition Gaps [Text] / M. Martone, J. Metzler // GPS World. - 2005. Vol. 16, No. 9. -P. 52-59. - Англ.
8. Mattos, P.G. A Single-Chip GPS Receiver and the Steps to Mass-Market Galileo [Text] / P.G. Mattos // GPS World. - 2005. - Vol. 16, No. 10. - P. 24 - 31. - Англ.
9. Muellerschoen, R.J. An Internet-Based Global Differential GPS System, Initial
Results . [Electronic resource]. / R.J. Muellerschoen, W.I. Bertiger, M. Lough, D. Stowers, D. Dong / 2000. - Англ. - Режим доступа:
http://gipsy.ipl.nasa.gov/igdg/papers/ion paper 2000.doc
10. Rizos, Ch. Precise GPS Positioning: Prospects and Challenges [Electronic resource] / Ch. Rizos. - 2001. - 17 p. - Англ. - Режим доступа: www.gmat.unsw.edu.au/snap/ publications/rizos 2001a.pdf
11. Rizos, Ch. Principles and Practice of GPS Surveying [Electronic resource] / Ch. Rizos.
- Version 1.1, September 1999. - Режим доступа:
http://www.gmat.unsw.edu.au/snap/gps/gps survey/ - Англ.
12. Soler, T. A note on frame transformations with applications to geodetic datums [Text] / T. Soler, J. Marshall // GPS Solutions. - 2003. - Vol. 7 No. 1. - P. 23-32. - Англ.
© К.М. Антонович, 2006
