Глобальная навигационная спутниковая система

1.

Глобальная навигационная
спутниковая системы (англ.
Global Navigation Satellite
System, GNSS, ГНСС;
GNSS

2.

Введение
Одна из технологий, на которую часто полагается GNSS, — это
кинематика в реальном времени или RTK. Кинематика в реальном
времени — это метод глобального спутникового позиционирования,
который помогает GNSS повысить достоверность и точность целевых
данных. Что касается позиционирования, определения
местоположения и максимальной точности, сочетание GNSS с RTK
повышает уровень точности, не похожий ни на что другое. RTK
усиливает фазовый сигнал, которым обмениваются передатчик и
приёмник, обеспечивая, тем самым, точность сантиметрового уровня и
корректировку сигнала в реальном времени.

3.

Определение
• Спутниковая навигационная
система (GNSS)— это технология,
которая используется для
определения местоположения
автономных тел, находящихся на
поверхности Земли. Для
выполнения этой задачи технология
спутниковой навигации использует
несколько спутников (размещенных
в космическом пространстве) для
передачи сигнала через канал
передатчика и приёмника. Эти
сигналы могут использоваться для
маркировки местоположения,
отслеживания местоположения и
многих других целей.

4.

GNSS
Глобальные навигационные спутниковые системы были первоначально разработаны ВВС
США, тогда технология называлась Global Positioning System или GPS, и её можно было
использовать только в вооруженных силах США. Со временем технология GPS стала
доступна каждому на этой планете. Теперь, когда каждый смартфон оснащённый GPS
находится в лёгком доступе для всех, правительства нескольких стран решили вывести эту
технологию на более продвинутый, точный и долгосрочный уровень. Таким образом,
появление глобальных навигационных спутниковых систем или GNSS стало официальным
явлением для потребителей частного сектора. В настоящее время, помимо США, ГЛОНАСС
России и Галилео Европейского Союза являются двумя основными действующими GNSS,
работающими на поверхности нашей планеты. С появлением технологии GNSS начали
работать многие вспомогательные технологии, известные как региональные
навигационные системы (Regional Navigation Systems). Концепция технологии такая же,
как и у GNSS, но охватывает меньше географических областей.

5.

Принцип работы глобальной навигационной
спутниковой системы или GNSS
• Спутники GNSS имеют две несущие волны,
зафиксированные в диапазоне L, а именно L1 (1575.42 МГц)
и L2 (1227.60 МГц). Основное назначение этих двух
диапазонов волн — передавать сигналы с подключенного
спутника на поверхность земли. Согласно Techopedia,
использование технологии L-диапазона может снизить
накладные расходы, обеспечивая при этом надёжное
соединение, которое менее подвержено прерываниям.
Внедрение L-диапазонов при правильном расположении
антенн даёт ряд преимуществ для сельскохозяйственных
дронов, морских технологий, удаленного мониторинга и
многого другого. С другой стороны, приёмники GNSS,
размещённые на поверхности земли, состоят из антенны и
блока обработки. Назначение антенны — принимать
кодированные сигналы от подключенных спутников, а
задача блока обработки — декодировать сигналы в
значимую информацию.
Примечание: для определения положения одного приёмника,
GNSS должна собирать данные как минимум с трёх отдельных
спутников.

6.

Принцип работы глобальной
навигационной спутниковой
системы или GNSS
Каждый спутник GNSS вращается вокруг Земли с интервалом 11 часов 58 минут и
2 секунды. Информация о времени, передаваемая спутником, передаётся с
помощью кодов, с тем чтобы приёмник мог определить временной интервал, в
течение которого передавался код. Сигналы, передаваемые со спутника,
содержат кодированные данные, которые помогают приёмникам точно
определять его местоположение, а сам приёмник позиционирует себя точно в
соответствии с положением спутника. IC приёмник вычисляет разницу во
времени между временем вещания и временем приёма кодированного сигнала.
Как только приёмник позиционируется точно относительно спутника, блок
обработки переводит местоположение приёмника с точки зрения широты,
долготы и высоты. Вот так на основе этой простой концепции, каждая GNSS
работает на поверхности этой планеты.

7.

Применение глобальных навигационных
спутниковых услуг
• GNSS для навигации Среди всех других
технологий концепция GNSS оказала большое
влияние на навигационные технологии. В
последнее время GNSS была включена в
автомобильную промышленность, теперь почти
каждая автомобильная компания интегрирует
технологию GNSS в свои модели автомобилей.
Интеграция технологии GNSS помогает
водителю легко перемещаться по неизвестным
маршрутам, чтобы исследовать дороги мира.
• Применение GNSS в навигационной системе не
ограничивается только автомобилями, так как
теперь эта технология широко используется и в
самолётах. Предварительное картирование
местности и обновление местности в режиме
реального времени по GNSS позволяют пилотам
избегать столкновений в воздушном
сообщении. Более того, GNSS, используемая в
кабинах самолётов, также использует такие
технологии, как WAAS или GBAS (LAAS), для
повышения точности курса.

8.

WAAS (англ. wide area augmentation system) —
система распространения поправок к данным,
передаваемым навигационной системой GPS
• Что такое WAAS? По данным
Федерального управления
гражданской авиации, в отличие от
традиционных наземных
навигационных средств, система
расширения зоны действия (Wide Area
Augmentation System или сокр. WAAS)
предоставляет навигационные услуги
по всей Национальной системе
воздушного пространства (National
Airspace System или сокр. NAS). WAAS
предоставляет дополнительную
информацию приёмникам GPS /WAAS
для повышения точности и целостности
оценок текущего местоположения.

9.

GBAS (система посадки наземной системы
функционального дополнения) или сокращенно
GLS (от. англ. GBAS landing system)
• Термин система
посадки GBAS (система
посадки наземной системы
функционального дополнения)
или сокращенно GLS (от.
англ. GBAS landing system)

10.

GNSS также используется для навигации
катеров/яхт
• Помимо широкого спектра
применения GNSS в автомобилях и
самолётах, GNSS также используется
для навигации катеров/яхт и
кораблей на поверхности воды.
Примечание: на судах также
используется функциональный блок
GNSS получивший название «Man
Overboard/Человек за бортом» или
сокр. MOB. Данная функция
позволяет экипажу корабля точно
отметить местонахождение
человека, упавшего за борт.

11.

GNSS для съёмки и геологического картирования
Геодезическая съёмка и геологическое
картирование
• GNSS для съёмки и геологического
картирования Геодезическая съёмка и
геологическое картирование — ещё
одно важное применение GNSS.
Большинство приёмников GNSS
используют данные сигнала,
генерируемые на частоте волны L1, для
выполнения геологического
картирования. Он оснащён точным
кварцевым генератором, который
помогает волне уменьшить ошибки
часов при картировании.
Исследователи могут также проводить
высокоточные измерения путем
расчёта соответствующего смещения
между датчиками GNSS.

12.

Датчики инерциальных измерительных устройств или
системы INS Инерциальный измерительный блок (Inertial
Measurement Unit или инерционный датчик; сокр. IMU)
• Датчики инерциальных измерительных
устройств или системы INS Инерциальный
измерительный блок (Inertial Measurement Unit
или инерционный датчик; сокр. IMU) играет
жизненно важную роль в глобальных
навигационных спутниковых системах. Как уже
говорилось выше, система GNSS собирает
сигналы данных по крайней мере от трёх из
находящихся на орбите спутников, где каждый
сигнал, принимаемый приёмниками, является
невероятно точен. Однако, если сигналу
препятствуют какие-либо препятствия, такие как
деревья, валуны или здания, сигнал больше не
может обеспечивать точное позиционирование.
Инерциальный измерительный блок — это
своего рода инерционный датчик, который
вычисляет вращение и ускорение движущегося
тела для определения его положения в
пространстве.

13.

ПРИНЦИП РАБОТЫ ИНЕРЦИАЛЬНОЙ
СИСТЕМЫ НАВИГАЦИИ
• Инерциальная система
навигации состоит из устройств,
методов обработки данных и
вычислительных алгоритмов,
которые позволяют определять
положение конкретного объекта
в пространстве и времени.
Принципы инерциальной
навигации положены в основу
инерциального измерительного
блока (IMU), который состоит из
акселерометра, гироскопа и
магнитометра.

14.

Акселерометр
• Акселерометр измеряет ускорение и
предоставляет данные в 3D
пространстве. Наиболее
распространенные акселерометры
предназначены для использования
трех одномерных акселерометров,
каждый для одного направления. Так
же, как и магнитометр, гироскоп
получает данные в трех измерениях, но
навигация выполняется только в двух
измерениях. Именно поэтому,
акселерометр имеет решающее
значение в определении направления
силы тяжести. Измерения от других
датчиков могут проецироваться на
поверхность, перпендикулярно вектору
силы тяжести.

15.

Шагомер (Педометр)
• Шагоме́р или педо́ метр — механический, электронномеханический или электронный измерительный прибор
для подсчёта количества сделанных шагов при ходьбе или
беге
• Педометр фиксирует пики амплитуды ускорения тела.
Когда пользователь стоит без движения, ускорение
остается практически постоянным, но не равным нулю,
вследствие силы тяжести. Во время движения можно
наблюдать определенные закономерности. Это позволяет
обнаруживать шаги. Перед анализом сигналов
необходимо произвести предварительную обработку
данных, так как некоторые измерения могут содержать
шум. Входящие сигналы могут быть очищены с помощью
фильтра низких частот и и скорректированы в
соответствие с величиной ускорения свободного падения.
Шаг определяется с помощью порогового значения.
Момент, когда ускорение выходит за пороговое значение,
считается началом шага. Когда ускорение опускается ниже
порогового значения, фиксируется конец шага. Длина
шага рассчитывается путем учета информации об
ускорении в начале и в конце шага, времени,
затраченном на один шаг, общем времени и общей
дистанции.

16.

Гироскоп
• Гироскоп измеряет угловую скорость с
помощью эффекта Кориолиса. В
зависимости от типа, гироскоп
оценивает силу, созданную вращением
устройства. С течением времени, угол
вращения интегрируется, чтобы
вычислить изменение ориентации в
течение определенного периода
времени. Гироскоп дает более точные
данные в краткосрочном периоде
навигации по сравнению с
магнитометром. Однако когда дело
касается более длительного периода,
данные гироскопа менее точные из-за
накапливания ошибок в процессе
интеграции.

17.

Гироскоп

18.

Магнитометр (датчик Хола)
• Данный датчик измеряет магнитное
поле Земли, используя
магнитосопротивление или эффект
Холла. Ориентация устройства
сопоставляется с северным магнитным
полюсом. Таким образом,
обеспечивается абсолютная
ориентация. Так как металлические
объекты внутри строений могут
оказывать влияние на магнитное поле,
навигация внутри помещений с
помощью магнитометра не является
достаточно точной.

19.

• Инерциальная навигация позволяет определять положение
устройства, рассчитывать количество шагов, пройденное человеком,
который держит смартфон или смарт-часы, и оценивать повороты во
время движения. Алгоритмы инерциальной навигации, такие как
шагомер и комплементарный фильтр, помогают улучшить качество
навигации внутри помещений.

20.

Применение ГЛОНАСС в Ж/Д ТРАНСПОРТ
• Железнодорожные системы широко используют спутниковые
технологии ГЛОНАСС для отслеживания движения локомотивов,
вагонов, при техническом обслуживании транспортных средств и
в оборудовании перегонных станций. В сочетании с другими
датчиками, компьютерами и системами связи, спутниковые
системы повышают уровень безопасности и эксплуатационной
эффективности на железнодорожном транспорте. Спутниковые
технологии ГЛОНАСС позволяют снизить количество аварий,
задержек, а также эксплуатационные расходы при
одновременном повышении пропускной способности
железнодорожного пути, удовлетворенности клиентов и
экономической эффективности.

21.

Схема системы мониторинга и управления в
сфере ж/д перевозок

22.

Назначение системы мониторинга и
управления в сфере ж/д перевозок
• Регулярный мониторинг местонахождения цистерн и танк-контейнеров с грузом
• Регулярный мониторинг параметров состояния груза (давление, температура,
уровень) и определение степени тревожности с ним
• Контроль состояния цистерны и танк-контейнера с грузом (герметичность)
• Оперативное определение местоположения цистерн и танк-контейнеров с
повышенной точностью при нахождении на путях станций (где происходит бо̀ льшая
часть краж и несанкционированных сливов)
• Оперативное определение параметров состояния груза при приближении к
предельным значениям
• Оперативная передача мониторинговой информации в удалённый Диспетчерский
центр (ДЦ) перевозчика из любой точки маршрута (значительная часть маршрута
может находиться вне зоны действия наземных коммуникаций)
• Оперативная сигнализация и передача сигнала тревоги в ДЦ, экстренные службы и
локально, при выходе параметров состояния груза за заданные пределы

23.

Основные результаты, достигаемые за счет
мониторинга ж/д транспорта:
• Повышение оборачиваемости вагонов
• Снижение эксплуатационных расходов на содержание и ремонт подвижного состава и путей
• Повышение оперативности управления промышленным железнодорожным транспортом
• Разработаны и находятся в стадии массового внедрения спутниковые системы обеспечения
безопасности и связи пассажирских поездов.
• На основе использования координатно-временной информации, получаемой со спутников ГЛОНАСС,
разработаны и внедрены интеллектуальные системы диспетчерского управления.
• Применение спутниковых систем диспетчерского управления дает возможность оптимизировать
работы путевой ремонтной техники «в окнах», увязав ее с управлением поездной работой и
обеспечив максимальную пропускную способность железных дорог. Также в целях повышения
безопасности работы путевых бригад на объектах железнодорожной инфраструктуры планируется
обеспечить их устройствами оповещения на основе спутниковой навигации.
• На железных дорогах России внедряются средства маневровой и горочной автоматической
локомотивной сигнализации, использующие спутниковые навигационные приемники ГЛОНАСС.
Точность определения местоположения локомотива на этих объектах – не более одного метра.

24.

Использование технологий ГЛОНАСС на
железнодорожном транспорте дает ряд
следующих преимуществ:
• повышение безопасности движения на железнодорожном транспорте;
• обеспечение автоматического определения местоположения, направления и скорости
движения локомотивов в режиме реального времени на цифровой карте путевого развития
станций и перегонов;
• обеспечение управления движением локомотивов на малодеятельных линиях и станциях,
не оборудованных средствами сигнализации, централизации и блокировки;
• снижение затрат, связанных с содержанием и эксплуатацией подвижного состава за счёт
повышения эффективности использования локомотивного парка, контроля за расходом
топлива;
• автоматизация и повышение качества процессов управления движением и сокращения
влияния человеческого фактора;
• снижение затрат на выполнение маневровых работ на станциях.
• Ёмкость российского рынка ГЛОНАСС железнодорожного назначения порядка 210 тыс. шт., в
т.ч. более 20 тыс. локомотивов. Более 14 000 ед. российской ж/д техники оснащено ГНССтехнологиями.

25.

Оборудование наземных навигационных
систем.
СМАРТ S-2437
Встроенные ГЛОНАСС/GPS- и GSM-антенны и встроенный
аккумулятор увеличенной емкости. Два интерфейса CAN
для подключения к основной и второстепенной CAN-шине
автомобиля
• Встроенные чувствительные ГЛОНАСС/GPS- и GSMантенны
• Встроенная АКБ 800 мА/ч
• 2G-модем
• 2 SIM-карты
• Защита по питанию до 500В и защита входных линий до
350В
• 3 универсальные входные линии
• 2 управляющие выходные линии
• Интерфейсы: RS-485, 2 интерфейса CAN и 1-Wire
• Поддержка MODBUS
• Bluetooth 4.0