Принцип работы GPS: спутниковые навигационные системы

GPS-приемники и принцип их работы

Global Positioning System или GPS буквально переводится как глобальная система позиционирования. GPS был разработан и запущен в Соединенных Штатах, но его данные можно использовать во всем мире. В упрощенном виде такая система включает:

• более 20 спутников на заданных орбитах;
• централизованная система управления и синхронизации работы сети;
• передатчики, установленные на каждом спутнике и передающие высокоточный сигнал с отметкой времени;
• индивидуальный спутниковый ресивер.

Сам GPS-приемник представляет собой довольно сложную систему, которая:

• сразу принимает радиосигнал со всех спутников в зоне радиовидимости;
• содержит систему обработки сигнала, которая декодирует точное время и положение спутника, отправившего сигнал, а затем на основе полученных данных вычисляет положение приемника в пространстве с помощью интегрированного программного обеспечения;
• включает блок индикации или интерфейсы для отображения вычисленных координат, их передачи или управления исполнительными механизмами.

Для определения координат технически достаточно получить сигнал с 3-х спутников, однако для решения геодезических задач точность определения координат в этом случае будет недостаточной. Следовательно, чем больше спутников «видит» приемник, тем выше точность.

Стоит отметить, что GPS-приемником теперь называют устройство, которое может видеть как спутники GPS, так и принимать сигналы российской системы ГЛОНАСС или китайской системы BeiDou. Чем больше сетей видит такой приемник, тем выше точность позиционирования. Однако недостаточно рассматривать такие приемники GPS как геодезические.

Особенности GPS-оборудования для геодезии

Для повышения точности геодезической GPS его приемник также должен иметь возможность подключаться к наземной базовой станции государственной геодезической сети и выполнять коррекцию координат с учетом этой связи. Именно такой принцип работы геодезического оборудования GPS позволяет добиться максимальной точности измерений.

Кроме того, если предполагается, что на объекте будет работать несколько геодезических инструментов или контрольного оборудования, используется основной геодезический GPS-приемник, который становится основой для ГЛОНАСС и приемников сигналов GPS, устанавливаемых на дополнительное оборудование. Местная опорная базовая станция довольно дорога, но в то же время предлагает ряд преимуществ, получаемых при использовании спутникового геодезического оборудования.

Кинематический метод

Второй подход имеет немного меньшую точность измерения, но отлично подходит для съемки. Скорость здесь не похожа на статику. Идентификация элемента занимает в среднем около шестидесяти секунд.

В этом случае GPS-приемник устанавливается на точку с уже известными координатами и считается базовой. Второй приемник GPS также называется ровером. Он будет перемещаться от точки к точке.

Более продвинутые техники используют модемы: радиомодем или GPS. Это позволяет кинематику в реальном времени. Модем необходимо устанавливать не только на базу, но и на вездеход.

Конечно, такое оборудование стоит денег, но этот режим позволяет получать координаты и приращения координат прямо в секунду измерения. На точность не влияет, она только увеличивается. Получатель будет только в одном месте на пару секунд. Этот метод называется RTK и иногда даже находится в отдельной категории, в отличие от методов, в которых происходит постобработка данных.

Отличия GPS приёмников от другого геодезического оборудования

На данный момент геодезический приемник GPS считается самым современным оборудованием для проведения съемок, даже если не самым распространенным, из-за стоимости услуг, которые в основном складываются из стоимости инструментов и эксплуатационной части. Дело в том, что эталонную частоту нужно покупать, иначе поставщик услуг предоставит случайную частоту, изобилующую ошибками и минимальной точностью. Эти условия предопределяют довольно высокую стоимость геодезических услуг.

Однако заказчики не должны забывать, что использование геодезического приемника гарантирует абсолютную точность измерений объектов, а значит, и их безопасность, а также абсолютное соответствие установленным нормам. В результате заказчики получают максимально точные схемы сайта, без личного присутствия специалистов, так как все работы, связанные с мониторингом, будут осуществляться удаленно.

От чего зависит точность GNSS-приемника

Точность приемника зависит от наличия деревьев и построек на пути прохождения сигнала. Для корректной работы трекера достаточно 4-х обычных спутников. Кроме того, повышенное электромагнитное поле, создаваемое военными сооружениями, промышленными комплексами и линиями электропередач, отрицательно сказывается на характеристиках оборудования. Работоспособность навигатора ухудшается на высоких скоростях автомобиля.

Как выполняются измерения?

На площадку выезжают специалисты, предварительно установив базовый GPS-приемник в одной из ближайших точек ГГС. Другой приемник GPS (ровер) будет двигаться вдоль объекта по выбранной траектории. В зависимости от того, как перемещается геодезический приемник GPS (ровер), существуют разные методы измерения:

• Статический считается наиболее точным методом, погрешность которого не превышает 5 миллиметров. Измерения проводятся в течение часа или чуть дольше. Этот метод измерения используется при необходимости создания или развития сетей геодезического контроля.
• Быстстатический, не самый надежный метод измерения. На основе этого метода создается схема сгущения сети. Измерения и получение необходимых данных занимают от 15 до 20 минут.
• Очень быстрый кинематический метод измерения, который чаще всего используется при топографической съемке крупных объектов. Погрешность измерения не превышает 2 см.
• Метод непрерывной кинематики с погрешностью не более 15 сантиметров применяется для исследования подземных коммуникаций, дорог, линий электропередач и т.д.
• Метод RTK является новым и может использоваться в местах с развитой сетью вышек мобильной связи. Для проведения измерений достаточно нескольких секунд, что значительно экономит время. Однако этот метод не относится к наиболее точным методам геодезических измерений.

Как правило, точность измерений зависит от времени, отведенного на обнаружение. Чем дольше приемник остается на месте, тем точнее будут данные.

Режимы работы GNSS-оборудования

По частоте трекеры можно разделить на три группы:

1. Однонаправленные GPS-локаторы, работающие на основной фазе. Более низкая скорость, чем у аналогов, подходит для создания геодезической базы.
2. Двухчастотные устройства. Улучшенные версии L1, они точнее, быстрее.
3. Ровер с поддержкой RTK. Самые последние версии, позволяющие топографическую съемку местности.

Static

Метод, позволяющий получить точность до миллиметра. Он используется для передачи координат от известных точек к обнаруженным объектам. Работа ведется с 2-мя приемниками (базой и марсоходом). После обработки данных положение определяемых точек отображается на компьютере. При этом сотрудники специализированных компаний могут производить измерения в разное время, с нескольких трекеров, объединяя информацию в единую сеть с последующим расчетом показателей.

Stop & Go

Отличие от «Статического»: марсоход приземляется на каждую точку на 3 минуты еще одним движением. В русифицированных ресиверах L1 такая программа позволяет снимать на открытом пространстве. Расстояние до баз не более 20 км, время стоянки около 180 секунд.

RTK

Основной современный режим работы системы GNSS. Подходит для топографических процессов. База парит над известными позициями, транслируя изменения марсоходу. Локатор принимает импульсы, с максимальной точностью выдает свои координаты. Погрешность не превышает 10 мм.

Основы работы с GPS оборудованием

Ниже приводится краткий набор теоретических знаний, которые помогут при работе с оборудованием GPS. Вы можете прочитать, что такое GPS, обо всех видах спутников, частотах и ​​т. Д. В Интернете. Мы позаботимся о конкретных вещах, необходимых для успешного выздоровления.

Преимущества использования геодезических GPS-систем

Несмотря на относительно высокую стоимость, использование геодезических GPS-приемников выгодно по ряду причин:

• гарантировать максимальную точность определения координат;
• использование полученных данных для увязки информации, полученной с помощью средств геодезических измерений;
• высокая скорость внедрения и мобильность;
• достичь точности, невозможной при использовании спутниковых приемников, встроенных в измерительные приборы.

В результате вы получаете высокое качество и скорость работы, а клиенты ваших геодезических услуг получают точные чертежи, схемы, расчеты, которым можно доверять и безопасно использовать в своей сфере деятельности.

Наша компания Технокауф является официальным дилером в России производителей (Leica, Trimble, GeoMax, Spectra Precision, Nikon) подобного оборудования, поэтому может предложить не только современные геодезические приемники ГЛОНАСС и GPS, но и проконсультировать, помочь в выборе и внедрении такого оборудования для вашего бизнеса.

Ниже приведены примеры используемых нами GPS-приемников.

Использование GPS при съемке местности

Следует отметить, что наряду с GPS при проведении геодезических работ спутниковым методом используется и российская идея ГЛОНАСС и NAVSTAR GPS (более поздняя разработка американцев, как бы дополняющая оригинал — обычно это про него когда говорят любимые буквы «GPE»). Возможно, в будущем к ним присоединится и европейский Galileo.

Разработка ведется и в других странах. Уже пробовали или еще не запускали:

1. IRNSS из Индии,
2. Бэйдоу из Китая,
3. QZSS из Японии.

Вообще спутниковые методы измерения появились сравнительно недавно, но они прочно зарекомендовали себя в жизни и заняли лидирующие позиции. Их любят специалисты за большое количество весомых преимуществ:

• Во-первых, они гарантируют довольно высокую скорость работы по сравнению с другими методами. В некоторых случаях это действительно важный момент.
• Во-вторых, измерения GPS можно назвать мобильными, и это их существенная отличительная черта.
• В-третьих, спутниковые методы дают специалистам уникальную возможность работать вне зоны прямой видимости между разными приемниками.
• В-четвертых, они также позволяют использовать приемники на довольно приличном расстоянии (до тридцати километров между ними).

Современные технологии позволяют разделить этот тип измерения на два других подтипа: статический и кинематический.

Статический метод

Первый обладает высочайшей точностью. Но у этого есть существенный недостаток: временные затраты. Дело в том, что минимальное время в одной точке — полчаса. Максимальный период времени может составлять несколько часов: в конечном итоге это зависит от существующих внешних условий и, конечно же, от точности требуемого измерения.

Чаще всего это делается, когда необходимо создать целую геодезическую сеть какого-либо класса, например:

1. Состояние,
2. Городской,
3. Региональный,
4. Поддержка и тд.

Из названия видно, что приемники статические, то есть стоят на месте. Они располагаются как в точках с уже известными координатами, так и непосредственно в определенных точках.

Функциональные особенности GPS приёмников

GPS или глобальная система позиционирования — это не что иное, как глобальная система позиционирования, изначально созданная для повышения эффективности ведения боевых действий. Однако со временем потенциал этой системы значительно расширился, и она стала служить полностью мирным целям. Доказательство тому — геодезические приемники с поддержкой GPS и ГЛОНАСС.

Система глобального позиционирования состоит из 24 спутников, выведенных на орбиту Земли. Именно они обеспечивают поддержку работоспособности всей навигационной системы. Спутниковые передатчики мощностью 50 Вт передают данные на приемники с земли. Атомные часы, считающиеся самыми точными, обеспечивают бесперебойную координацию созвездия спутников. Частота передатчиков 1575,42 МГц и 1227,6 МГц.Система комплектуется спутниковыми приемниками, количество которых не ограничено. Для высокоточного оборудования, такого как геодезический приемник GPS, используются сложные элементы, которые принимают сигналы от специальных передатчиков и фиксируют их.

Геодезисты, вооруженные оборудованием GPS, сразу получают данные, отправленные всей группой спутников на орбите. Информация сопровождается максимально точной датой и временем. Эти данные отправляются с каждого спутника на орбите, и задача оборудования GPS — вычислить фактическое расстояние до объекта. Информативными считаются данные, полученные как минимум с 4-х спутников, которые дадут четкое представление о координатах земных объектов.

Суть работы, в которую входит геодезический GPS-приемник, — это разработка и реконструкция всех видов топографических съемок, а также опорных сетей. Кроме того, система используется при производстве кадастровых работ, например, определение границ участков, обмер территории. Использование спутникового оборудования актуально и для измерений с участием государственной геодезической сети (ГГС).

Разработчики, планирующие работу, должны в первую очередь сосредоточиться на SHS. Инвестиции в строительство нового завода будут полностью оправданы, если площадка будет расположена на расстоянии от ГГС, не превышающем 5-15 километров от производства, а также от промышленных сооружений, которые могут представлять опасность для людей. Таким образом, исследования помогут исключить возможность техногенных катастроф с непредсказуемыми последствиями.

Виды деятельности при GPS-измерении в геодезии

SSG входит в список самых востребованных компаний в этой сфере в Санкт-Петербурге и всей Ленинградской области. Использование высокотехнологичных навигационных устройств, следование новейшим технологиям, безупречная четкость выполнения обязанностей, высокий профессионализм сотрудников и помощь в сопутствующих процессах сделали нас одной из самых специализированных компаний. Успех региона.

С помощью GPS можно снимать различные замеры, выполнять огромный объем работы:

• Создайте опорную или съемочную геодезическую сеть.
• Осуществляем мониторинг деформации зданий.
• Проведите топографическую съемку в необходимом масштабе (от 1 до 500, от 1 до 10 000).
• Выполнение прикладных геодезических работ во время строительных работ.
• Формируйте наземную поддержку во время аэрофотосъемки.
• Упростите лазерное сканирование с воздуха.

Спутниковый метод также используется для установки, ввода в эксплуатацию и последующей полной технической поддержки существующих станций GPS.

Деятельность проходит в несколько этапов:

1. Согласование времени и места проведения расследования.
2. Полевые работы, специалисты замеряют точки на местности.
3. Передача информации, полученной от приемника, на компьютер.
4. Обработка с использованием специального программного обеспечения.
5. Формирование отчета, карты, плана (по запросу заказчика).
6. Доставка заказа.

При заказе таких услуг, конечно же, стоит обращаться только в компанию с богатым опытом, накопленным за годы успешного ведения бизнеса. Это серьезная практика, требующая определенных навыков, знаний и навыков в области инженерных изысканий и различных геодезических работ.

Методы GPS измерений в геодезии

Статические методы измерения более точны, но также требуют времени. Время в назначенной точке может составлять от 30 минут до нескольких часов, в зависимости от требуемой точности и внешних условий. При использовании этого метода измерения все приемники GPS неподвижны в точках с известными координатами и в точках, которые необходимо определить. Статические методы измерения обычно используются для создания геодезических сетей различных классов (государственная геодезическая сеть, городская геодезическая сеть, опорная геодезическая сеть и т.д.).

Кинематические методы измерения менее точны, чем статические, и используются в основном для топографических съемок. Время, затрачиваемое на выполнение измерений в определенной точке, в среднем составляет не более минуты. При использовании этого метода измерения один GPS-приемник (база) находится в точке с известными координатами, а второй GPS-приемник (ровер) перемещается из одной точки в другую.

Если вы установите радиомодем или модем GSM на обе трубки, базу и ровер, вы сможете использовать режим кинематики в реальном времени (KEL). Режим RTK позволяет получать координаты и приращения координат непосредственно во время измерения с высокой точностью, а время нахождения приемника в одной точке занимает несколько секунд.

Преимущества спутниковых методов измерения:

• Высокая скорость работы;
• Мобильность измерений GPS;
• Возможность выполнять работу без прямой видимости между GPS-приемниками;
• Возможность использования дальних приемников (до 30 км).

Практическое использование:

Закрыв тему GPS-навигаторов или использования смартфонов аналогичным образом, отметим, что с их помощью можно приблизительно определить положение вашей земли, записав координаты объекта в системе WGS 84 в строку поиска региона.) или из системы координат города Москвы в понятные навигаторы WGS 84, вы можете связаться с нашей компанией по телефону +7 (495) 215-51-63. Стоимость услуги по переводу координат составляет 200 рублей за точку, но не менее 500 рублей за заказ. Возможности решения задач геодезии с помощью приемников ГНСС очень широки: от точного определения координат привязки плоскости возвышения до топографической съемки полей, линейных объектов и других территорий.

Что это такое?

В настоящее время измерения GPS являются наиболее точным, быстрым и доступным способом определения координат точек. Именно в этом случае географические координаты точки определяются с помощью искусственных наземных навигационных спутников и приемников GPS (у простых граждан часто встречаются: определение координат через космос, спутниковые снимки). Это технологии, которые были созданы в интересах военных и использовались только военными, но сегодня они доступны каждому в той или иной форме.

Какие преимущества?

Измерения GPS имеют много преимуществ перед другими методами определения координат местности, и практически нет альтернативы определению координат движущегося объекта по сравнению с GPS. Среди достоинств этого метода определения координат выделяются: быстрые результаты, иногда даже в реальном времени, возможность определения координат при дневном свете и в темноте, возможность работы в сложных погодных условиях (хотя во многом это зависит от того, от чего зависит запуск) конкретная модель используемой спутниковой системы), возможность расчета при большом расстоянии между источником и заданными точками вне поля зрения.

Также имеются недостатки, связанные с ухудшением качества результатов при работе в зоне сильных помех, вблизи сильных источников электромагнитного излучения, а также в условиях существенно ограниченной видимости небесного полушария. GPS-измерения значительно повышают производительность труда при определении координат и, как следствие, ускоряют проведение инженерно-геодезических изысканий, расширяют возможности и технологии выполнения топографических изысканий, значительно облегчают и удешевляют кадастровые работы при съемке участков.

Поэтому использование спутникового метода и использование систем GPS геодезического класса позволяет определять координаты намного быстрее и точнее, чем при использовании других методов, а значит, это экономически оправдано.

Где используется?

Услуги GPS-измерений широко востребованы в геодезии и картографии при решении национальных задач. В частности: построение элементов Государственной геодезической сети Российской Федерации, например спутниковая геодезическая сеть 1 класса, создание и развитие опорных геодезических сетей специального назначения, например опорная пограничная сеть, которая служит базой, согласованной для обслуживания и функционирование государственного земельного реестра.

В картографии GPS используется для ссылки на полевые координаты аэрофотоснимков и спутниковых изображений земной поверхности. В топографии создать плановое обоснование небоскребов. При проведении инженерно-геодезических изысканий в строительстве проект выполняется на природе, он ломается, а также при управлении сложными инженерными сооружениями ведется мониторинг деформаций конструкций. Для научных целей, например, для отслеживания движения континентов и во многих других случаях.

Разберемся с GNSS

Для большинства систем глобальной навигации то же самое с системой глобального позиционирования или принципиально разные вещи. На самом деле и тот, и другой тезис не совсем верны. Пространственные измерения, вероятно, можно определить как очень широкую область, используемую не только в области картографии, строительных работ и самой навигации, но также, по крайней мере, для:

• Мониторинг автотранспорта;
• Предоставление мобильной связи;
• Спасательные операции;
• Отслеживание движения тектонических плит.

Все это помогает глобальная система спутниковой навигации. Каждая технологически развитая страна пытается изобрести собственную GNSS. Помните, мы говорили выше: ГЛОНАСС из России, Галилео из Европы и так далее. Система глобального позиционирования — это американская разработка, так что она, так сказать, особенная для GNSS как таковой. Общим для всех этих систем является взаимодействие пользователя, наземного устройства и космического объекта.

Но устройства GNSS задействованы на более местном, домашнем уровне. Определяя точное расстояние между антенной приемника и спутником (как мы помним, мы точно знаем его положение в каждый момент, для упрощения поиска он вставляется в специальный альманах) с помощью простых геодезических построений используется для расчета положения объекта в пространстве.

Описание кажется простым. Фактически, все это действие основано на скорости радиоволн и передаче более точного сигнала времени (с точностью до миллисекунд). Сигнал должен быть синхронизирован с атомными часами в навигационном приборе в руках инженера. Таким образом, вы, условно говоря, не сможете выполнять геодезические работы со смартфоном, подключенным к GPS.

Положительные и отрицательные стороны ГЛОНАСС

Используя приемники, работающие со спутниковой системой, при проведении геодезических работ мы получаем ряд преимуществ:

• скорость измерительных операций;
• простота расчета;
• почти идеальная точность;
• возможность подсчета точек при непрямой видимости;
• независимость от погодных условий.

Наиболее существенные недостатки — чувствительность к препятствиям возле антенны, выход из строя при воздействии электромагнитного поля. Установить антенну не всегда просто, если нужная точка находится в углу дома, на уровне его основания или ниже, на фундаменте. По этой причине нецелесообразно использовать джипи только при выполнении кадастровых работ. Они используются вместе с другим геодезическим оборудованием, особенно с электронными тахеометрами.

Используемое оборудование

• S-Max Geo, встроенный радиомодем 337 442 руб. Подробнее
• 2 этап от 470000 руб. Подробнее
• Spectra Precision SP80, встроенный радиомодем 441 670 руб. Подробнее
• Trimble Geo 7X Handheld с модулем дальномера, с Trimble Access от 624 750 руб. Подробнее

Что влияет на качество сигнала GPS?

Следующие факторы снижают качество измерений:

Препятствия вокруг приемника (здания, деревья). Каждый приемник обычно отображает количество спутников, от которых он принимает сигнал. Теоретически для работы приемника достаточно 4-х общих спутников (общих для базы и ровера).

На практике при количестве спутников:

Количество спутников	Действия
менее 6	Измерения не допускаются. Вам нужно дождаться увеличения количества спутников или изменения позиции
6-8	Можно приступать к работе, но желательно увеличить время измерения
9 и более	Нормальная сумма

Таким образом, GPS может хуже работать в лесу, между домами, которые закрывают горизонт для устройства и т.д. Кроме того, если вы установите GPS в точке триангуляции, где сохранилась металлическая пирамида, это увеличит время ожидания. Металл над антенной GPS также мешает измерениям.

Объекты создающие активные помехи:

Объекты, которые образуют вокруг себя электромагнитное поле, отрицательно влияют на прием сигналов GPS. К таким объектам относятся линии электропередач, активные радары аэропортов и военных объектов, мощное промышленное электронное оборудование. То есть лучше избегать размещения GPS под линиями электропередач.

Геометрический фактор PDOP

PDOP — это фактор, который показывает, «насколько хорошо GPS сейчас работает». Это основной параметр, который отображается во многих устройствах GPS.
Значения PDOP:

Имея в виду	Действия
1-3	Хорошее качество может работать
3-7	Удовлетворительное качество, но лучше увеличить время сеанса на 50%
7 и более	Низкое качество. Измерения не могут быть обработаны.

Каналы передачи данных

Есть несколько каналов, по которым база может передавать поправки на марсоход:

GSM

Исправления передаются по мобильной связи. Для этого SIM-карты операторов мобильной связи с услугой «CSD» (передача факсимильных данных) должны быть вставлены в базу и в ровер. На момент января 2018 года для оператора МТС эта услуга стоит 1 мин = 2 рубля, более того, сейчас для МТС эта услуга называется «пакетная передача данных» и выдается только юридическим лицам. Для работы канала необходимо мобильное покрытие территории и наличные по картам.

iRTK

Изменения передаются через мобильную сеть с доступом в Интернет. Условия работы такие же, как для канала GSM, но вам просто понадобится любая SIM-карта с доступом в Интернет и сервер для поддержки и обработки данных.

В среднем база потребляет 1,5 МБ в час трафика, т.е при ежедневной работе 8 часов за 30 дней — 360 МБ, при работе 6 часов за 20 дней — 180 МБ

NTRIP Работа от базовой станции (БС)

В этом методе в качестве базы используются «базовые станции» сторонних организаций, обычно устанавливаемые в городах и «транслирующие» свои координаты в эфир. Услуги платные и для работы вам потребуются данные доступа к БС. При использовании этого метода для работы вам понадобится только один ровер с одним контроллером. Очень удобно. Мы добрались до места происшествия, у нас есть GPS, мы подключились к базовой станции, и вы можете снимать.

Рекомендуемое расстояние от БС — до 50км, хотя реально они нормально работали на дистанции 70-90км (точность упала до 2см). При этом базовые станции позволяют работать с них как в режиме RTK (NTRIP), так и в режиме «Статический» с последующей обработкой данных.

Радиомодем

Канал данных, по которому поправки передаются по радио. В GPS встроены модемы (мощность до 2-6 Вт) и обеспечивают связь на расстоянии до 1-2 километров от базы. Также есть внешние модемы (мощностью около 20-35-60 Вт), которые подключаются к GPS и гарантируют покрытие до 20-25 км. Зона покрытия сильно зависит от типа местности, наличия построек, леса и т.д. Надо сказать, что, например, в Москве и Санкт-Петербурге запрещено работать на радио в городе.

Все там работают с базовых станций через мобильную сеть. Также могут возникнуть проблемы при работе на территории аэропортов и военных объектов. Заранее уточняйте, есть ли возможность работать на объекте в режиме радио. В малонаселенных районах это основной канал передачи поправок.

Читайте также: GSM-модуль для Arduino Uno и Pro Mini: подключение и проверка SIM900 и SIM800L