GNSS-приемники

Текст:

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени М.В.ЛОМОНОСОВА

Географический факультет

Кафедра картографии и геоинформатики

Реферат по курсу основы спутникового позиционирования

«GNSS-приемники »

Выполнила: студентка IV курса

407 группы

Юрова Н.

Проверил: Серапинас Б.Б.

Москва, 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКИЙ СЕГМЕНТ СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ (СРНС)

1.1.Категории пользователей приемной спутниковой аппаратуры 4

1.2.Функции потребительского приемно-вычислительного комплекса 5

1.3.Обобщенная структурная схема геодезического

спутникового приемника
7

ГЛАВА 2. КЛАССИФИКАЦИИ ПРИЕМНИКОВ

2.1.Типы приёмников по архитектуре 12

2.2.Типы приемников по назначению 13

2.3.Типы приемников по назначению 14

ГЛАВА 3. ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ПРИЕМНИКОВ И ПРИЕМНИКОВ ОБЩЕГО ПОЛЬЗОВАНИЯ

3.1.Приемники геодезического класса 19

3.2.GPS-приемники общего пользования 25

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
28

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
29

ВВЕДЕНИЕ

За последние 20 лет было произведено несколько поколений приемников, основанных на все более новых технологиях. Первая группа приемников была создана в конце 1970-х для Министерства Обороны США, чтобы доказать, что GPS может работать. В начале 1980-х, когда созвездие GPS включало лишь несколько спутников, еще не было причин производить большое количество приемников, кроме того, не была ясна политика государства в области использования GPS гражданскими пользователями. Но геодезисты уже видели возможности получения с помощью GPS сверхвысоких точностей. В 1982 г. на рынке появилось два приемника для точной геодезии. Эти приемники, громоздкие по современным меркам, показали сверхвысокий уровень точности измерений, и таким образом стали революционными инструментами в геодезических изысканиях.

В настоящее время на рынке находятся сотни моделей приемников. Спутниковые системы становятся частью нашей повседневной жизни и существенным элементом коммерческой и общественной инфраструктуры.

Пользовательский сегмент спутниковых радионавигационных систем состоит из спутниковых приемников и сопутствующего оборудования. Аппаратура потребителей различается по архитектуре, назначению, точности, стоимости и другим параметрам. Успех радионавигационных систем в их широкомасштабном использовании полностью заключается в революции, которую произвело внедрение интегральных схем. Это сделало приемники легкими, компактными и на порядок дешевле, чем это еще было возможно 20 лет назад. Первые GPS приемники, предназначенные для спутникового позиционирования, были введены в середине 1980-х годов. В конце 1980-х только зарождалась идея производства приемников для массового рынка. Уже в 1992 г. был изготовлен ручной GPS приемник, который отвечал всем потребностям потребителей – был достаточно компактным, при этом обеспечивал хорошую точность позиционирования, имел низкую стоимость, что также было немаловажным. С середины 90-ых годов GPS-приёмники стали неотъемлемой частью не только в научных изысканиях, но и в повседневной жизни

ГЛАВА 1. ПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКИЙ СЕГМЕНТ СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ (СРНС)

1.1. Категории пользователей приемной спутниковой аппаратуры

Считается, что термин «пользовательский сегмент» относится к концепции Министерства Обороны США по GPS как дополнение к национальной программе безопасности. При создании системы планировалось внедрить GPS приемник в каждый более или менее значительный элемент системы обороны. Предполагалось, что каждое воздушное или морское судно, каждое наземное средство передвижения и каждое воинское подразделение должны иметь соответствующий приемник для координации своей военной деятельности. С момента создания первых GPS-приёмников был реализован подход селективного доступа для гражданских приёмниках. Но на первых этапах внедрения системы в вооруженные силы ранее режим селективного доступа SA был выключен, чтобы войска могли более уверенно использовать гражданские приемники. Существует различные способы применения GPS-приемников в военных целях. Одним из примеров нетрадиционного использование аппаратуры является приемник, к которому подсоединяются три (иногда четыре) антенны. Путем размещения таких антенн, например, на носу, корме, и на бортах корабля, определяется крен, тангаж и рысканье судна [1].

Вполне естественно, что поскольку и GPS и ГЛОНАСС разрабатывались военными специально для координатно-временного обеспечения военных действий, то именно военным структурам доступно использование всех возможностей навигационных систем. Отличительными особенностями аппаратуры военных потребителей (авторизованных или санкционированных пользователей) являются: прием и обработка радиосигналов повышенной точности (P(Y) код для GPS и ВТ код для ГЛОНАСС) на двух частотных поддиапазонах (L1 и L2) для получения высокой точности и при высокой защищенности от помех. Аппаратура военных потребителей допускает использование дополнительных мер защиты от помех, таких как пространственная селекция сигнала адаптивными антенными решетками, оптимальное комплексирование с инерциальными и другими навигационными системами. Кроме того, их отличает повышенная надежность и малое время получения первого отсчета. При этом такие характеристики как масса и размеры, стоимость, хотя и остаются существенными, но не являются решающими. Для гражданских пользователей наиболее важными являются именно масса и низкая стоимость. Навигационная аппаратура гражданских пользователей ведет прием и обработку радиосигналов пониженной точности (С/А код в GPS и СТ код в ГЛОНАСС) в одном частотном поддиапазоне. Эволюция гражданского использования спутниковых радионавигационных систем произошла в течение несколько лет. Главное внимание в течение первых нескольких лет было приковано к навигационным приемникам. Революция GPS измерений в геодезии началась с приемника SERIES от Лаборатории реактивного движения. Основная концепция использования интерферометрической, а не доплеровской модели решения означала, что GPS можно использовать не только для измерений длинных геодезических линий, но также для самых коротких линий, существующих в наземных съемках.

Сегодня спутниковые приемники обычно используются для проведения всех видов геодезических и топографических работ и обеспечивают высокую точность и производительность. Некоторые научные применения методов точного позиционирования (например, для метеорологии) оказались совершенно неожиданными. Широкое применение в различных областях деятельности нашли и навигационные приемники. Негеодезическое гражданское использование GPS включает в себя использование приёмников для управление парками транспортных средств и средств служб спасения, отслеживание поездов, городских транспортных потоков и т.п. Довольно часто разработчики аппаратуры в попытках сделать ее более универсальной объединяют GPS с другими средствами навигации. Примером такого подхода является разработка швейцарскими учеными навигатора для слепых и спасателей, в котором GPS приемник работает вместе с инерциальной системой, цифровым компасом, барометром-высотомером и шагомером[2, 3].

1.2. Функции потребительского приемно-вычислительного комплекса

К основным функциям потребительского сегмента GPS, как правило, относят следующие.

1. Прием радиосигналов от наблюдаемых спутников.

2. Организация определений регистрируемых величин.

3. Выполнение предварительной обработки полученных результатов измерений непосредственно на пункте съемки.

4. Проведение в камеральных условиях пост-обработки полученных данных, позволяющей получить окончательные значения интересующих потребителя величин [1, 2].

Вышеперечисленные функции, относятся к наиболее общим задачам, которые решаются посредством использования пользовательской аппаратуры. Наряду с ними аппаратура потребителя совместно с предлагающимся к ней программным обеспечением в полевых условиях должна решать и ряд вспомогательных задач, зависящих от класса и типа аппаратуры, к котором относятся следующие.

а) Селекция принимаемых радиосигналов от конкретного спутника, то есть отделение сигнала этого спутника от сигналов других спутников, захват этого сигнала и последующее его отслеживание на протяжении всего сеанса наблюдений.

б) Демодуляция и декодирование принятых сигналов с целью их подготовки к использованию для измерения величин, интересующих пользователя.

в) Расшифровка навигационного сообщения, передаваемого спутником.

г) Управление текущим процессом наблюдений и выполняемыми в полевых условиях измерениями.

д) Предварительная обработка результатов измерений и организация хранения данных с использованием внутренних или внешних устройств памяти.

е) Самодиагностика приемного комплекса, т.е. контроль работы всего комплекса и поддержание его в работоспособном состоянии, в том числе и контроль источников питания.

Все рассмотренные нами функции реализуются за счет комплексной работы всех элементов приемной аппаратуры и выполнения структурной схемы работы приемника. Камеральная пост-обработка полученных со спутника данных осуществляется, как правила, с привлечение специализированного программного обеспечения для персональных компьютеров.

1.3. Обобщенная структурная схема геодезического спутникового приемника

Используемая геодезическая спутниковая аппаратура потребителя крайне разнообразна. Каждая фирма-производитель стремиться обогатить функциональные возможности выпускаемой продукции. Анализ структурных схем аппаратуры различных потребителей показывает почти полную их идентичность, тогда как отличительные особенности носят непринципиальный характер. В связи с этим, возможно выделение обобщенной схемы устройства спутникового приемника. Принципиальная схема компонентов GPS-приемника представлена на Рисунке 1.

Практически любой современный приемник, вне зависимости от его размеров, цены, назначения, сложности, может быть представлен как совокупность пяти главных устройств:

· антенна и связанная с ней электроника;

· радиочастотный блок с контурами слежения;

· навигационный микропроцессор;

· блок питания;

· блок команд и контрольный дисплей.

Рис. 1. Основные компоненты, общие для одноканальных GPS приемников

Многие приёмники также снабжены устройствами для хранения данных (внутренними или внешними) и устройством ввода-вывода данных.

В комплект аппаратуры могут входить дополнительные устройства: накопители данных (контроллеры), радиомодемы, метеорологические системы, штативы, штанги, центриры, рулетки, кабели и т.п. [1].

Рассмотрим каждое из устройств, являющихся общим для большинства GPS-приемников.

1. Антенна

Антенное устройство представляет входную часть GPS-приемника и обеспечивает прием радиосигнала от входящих в поле зрения спутников. Выбранный тип и режим работы антенны влияет как на возможность приема сигналов от спутников, так и на точность производимых спутниковых измерений.

Итак, основное назначение антенного устройства состоит в том, чтобы с наибольшей эффективностью принимать и производить преобразование распространяющихся от спутников электромагнитных волн в соответствующие электрические сигналы, которые можно передавать по электрическим цепям приемника, подвергая их усилению и различного рода преобразованиям. Антенна GPS-приемника предназначается для приема радиоволн с правосторонней круговой поляризацией на частотах L1 и/или L2 от выбранных спутников, находящихся выше горизонта. Антенна преобразует модулированные волны несущей частоты в электрический ток, содержащий стандартный и точный коды и модуляции потока данных навигационного сообщения.

Антенны для геодезических GPS измерений должны быть прочными, простыми по конструкции, иметь стабильные электрические фазовые центры, быть устойчивыми к многопутности и иметь хорошие характеристики диаграммы направленности, одинаковые во всех направлениях верхней полусферы.

Очень важны размеры и форма антенны, так как от этих характеристик зависит способность антенны улавливать и передавать в приемник очень слабые сигналы. Антенна может работать только на одной частоте или на двух, пропуская сигналы в определенной полосе частот. Антенны для приема сигналов GPS и ГЛОНАСС должны быть с правосторонней круговой поляризацией. Выделяют следующие типы антенн: монопольные и дипольные конфигурации, квадрифиллярные (с намоткой в четыре нитки) спирали, спиральные завитки, щелевые и микрополосковые антенны.

Сигналы, проходя от антенны к приемнику, испытывают небольшую задержку. Однако эта задержка является одинаковой для сигналов, принятых одновременно от разных спутников, и поэтому она действует как дополнительное смещение шкалы часов приемника [1, 2].

2. Радиочастотный блок и система слежения

Работа радиочастотного блока в GPS/ГЛОНАСС приемнике состоит в переводе радио частоты (РЧ), прибывающей на антенну, к более низкой частоте, называемой промежуточной частотой (ПЧ), которой легче управлять в других блоках приемника. Основными элементами радиочастотного блока являются: генератор опорной частоты, умножители для получения более высоких частот, фильтры для подавления ненужных частот и смесители. Промежуточная частота получается путем перемножения в смесителе входного сигнала с чистым синусоидальным сигналом, генерируемым составной частью приемника, известной как вспомогательный генератор (гетеродин). Большинство спутниковых приемников используют точные кварцевые генераторы, выполняющие роль регуляторов электронных часов.

Всенаправленная антенна GPS приемника принимает сигналы от всех спутников, находящихся выше горизонта антенны. Приемник должен уметь выделять сигналы каждого отдельного спутника. Разделение достигается через использование в приемнике ряда сигнальных каналов. Сигналы от разных спутников легко различаются по передаваемому ими уникальному C/A (стандартному) коду или части Р кода, и закрепляются за отдельным каналом. Канал в приемнике можно использовать одним из двух основных способов. Приемник может иметь выделенные каналы, на которых непрерывно наблюдаются отдельные спутники. Для определения трех координат пункта и поправки часов приемника необходимо минимум четыре таких канала на L1 для четырех спутников. Дополнительные каналы позволяют наблюдать больше спутников или проводить наблюдения на частоте L2, необходимые для определения ионосферной задержки, или делать обе операции.

По другой концепции используется один или несколько последовательных каналов. Последовательный канал получает данные от отдельного спутника на определеный период времени, делая измерения сигнала этого спутника, а затем переключается на другой спутник. Каждый канал должен примать данные от четырех спутников. Однако перед получением первыхданных приемник должен обрабатывать сигнал каждого спутника не менее 30 секунд, чтобы получить данные навигационного сообщения спутника. Время до первой фиксации и время между обновлениями положений можно снизить, если использовать два последовательных канала.

Частным случаем последовательных каналов является мультиплексный канал. С мультиплексным каналом приемник последовательно принимает данные ото всех спутников в быстром темпе, для того чтобы собрать навигационные сообщения от отдельных спутников почти одновременно. Для мультиплексного приемника время первого измерения может быть менее 30, как и в приемнике с раздельными многими каналами [1].

3. Микропроцессор

На современном этапе развития приемников прослеживается тенденция к переходу на цифровую обработку сигнала, что позволяет делать аппаратуру меньше в размерах и более дешевой. Сигнал на промежуточной частоте можно преобразовать в цифровую форму и выполнять слежение за кодами и фазами с помощью программы в микропроцессоре. Приемник выполняет много различных операций, таких как начальный захват сигналов спутника, отслеживание кодовых и фазовых сигналов, обработка навигационного сообщения, определение координат места нахождения пользователя, контроль текущих состояний спутников в созвездии и др. Эти операции в GPS-приемниках происходят под контролем микропроцессора. Микропроцессор включает в себя таймеры, различные запоминающие устройства, интерфейсные платы для стыковки с пультом управления, а также другие характерные для вычислительной техники узлы. Микропроцессор работает с цифровым представлениями псевдодальностей и несущих фаз. Они получаются в результате аналогоцифрового преобразования в некоторой точке в цифровом потоке, следующем через приемник. Одной из операций, запускаемых микропроцессором, является фильтрация исходного сигнала с целью уменьшения шума. В программе, заложенной в процессоре, также могут решаться некоторые навигационные задачи, преобразование координат из одной системы координат в другую.

Микропроцессор также управляет вводом команд от пользователя, выводом информации на дисплей и передачей данных через порты связи [2].

4. Блок питания

Большинство приемников имеют внутреннее питание постоянным током, обеспечиваемое использованием перезаряжаемых никель-кадмиевых аккумуляторов. Приемники последних моделей потребляют очень малый ток, что увеличивает время работы от аккумуляторов. Многие приемники также допускают внешнее питание через конверторы тока из переменного в постоянный.

5. Блок команд и контрольный дисплей

Большинство GNSS-приемников имеют клавиатуру и дисплей для интерактивной работы пользователя с устройством. Клавиатуру можно использовать для ввода команд, для ввода данных, для установления опциональных функций, для ввода вычисленных координат, времени и других деталей в память устройства. Можно также вводить вспомогательную информацию, необходимую для навигации по путевым точкам, данные о погоде, данные о высоте антенны для геодезических измерений. Большинство приемников имеют хорошо организованное меню, позволяющее эффективно работать с устройством.

Дисплей используется как устройство вывода информации. На экран устройства выводятся текущие данные о спутниках и их положении, о координатах места нахождения приемника Также отметим, что большинство приемников имеют основной режим работы, который устанавливается по умолчанию при включении устройства. Как правило, режим "по умолчанию" содержит наиболее оптимальный набор функций и опций для работы пользователя. Некоторые приемники работают как датчики (сенсоры) и интегрируются в навигационную систему. Такие приемники не имеют своих устройств вводы и вывода информации [1, 5]

ГЛАВА 2. КЛАССИФИКАЦИИ ПРИЕМНИКОВ

2.1. Типы приёмников по архитектуре

На современном рынке GNSS-приемников встречаются три типа приемников с фундаментальными различиями в архитектуре:

• непрерывно наблюдающие приемники;

• медленные последовательные приемники;

• быстрые последовательные приемники.

Далее рассмотрим особенности каждой из групп приемников.

а) Непрерывно наблюдающие приемники

Также называемые многоканальными, отслеживают 4 или более космических аппаратов непрерывно. Каждый канал наблюдает выделенный ему космический аппарат от начала и до конца сессии (периода съемки). Это дает непрерывный доступ к навигационному сообщению, принимаемому от каждого спутника.

Для объектов с высокой динамикой (самолеты, космические корабли и ракеты и т.п.) до недавнего времени для получения удовлетворительных результатов требовалось пять каналов. При этом четыре канала использовались для непрерывного слежения за спутниками для обеспечения непрерывного решения навигационной задачи, а пятый канал использовался для поиска новых спутников, синхронизации и считывания навигационного сообщения. Таким образом, пятый канал обеспечивал поставку в базу данных приемника непрерывной информации о спутниках. Шестиканальный приемник может считывать навигационное сообщение, наблюдать четыре спутника и удерживать сигнал от пятого спутника на случай, если связь с одним из четырех будет по какой-либо причине утеряна. В последнее десятилетие и в навигационной, и в геодезической аппаратуре реализуется концепция наблюдений “all-in-view”, когда приемник наблюдает все спутники, находящиеся выше заданного угла над горизонтом. Для приемников, работающих по одной СРНС (GPS или ГЛОНАСС), обычно достаточно 12 каналов, в двухсистемной аппаратуре, работающей со спутниками и GPS, и ГЛОНАСС, используется не менее 20 каналов для каждой частоты [1, 3].

б) Медленные последовательные приемники

Приемники этого типа называются также приемниками с распределением времени. Они отслеживают спутники последовательно, с задержкой в 1 - 2 секунды. Чтобы получить данные со спутника такой приемник вынужден периодически прерывать последовательность обработки на время порядка 30 секунд. Приемники этого типа обеспечивают наихудшее время до первой фиксации и не могут наблюдать спутники при движении с большими скоростями.

в) Быстрые последовательные приемники

Тип приемников, называемый также мультиплексными приемниками, отслеживает 4 или более спутников последовательно, но он задерживается на каждом спутнике на очень короткий интервал времени. Если такой приемник переключается между четырьмя спутниками, то он тратит на обработку сигнала 1/200 с. Таким образом, он возвращается к каждому спутнику точно в момент захвата следующего бита в его потоке данных и, таким образом, получает постоянный доступ ко всему потоку данных от каждого из четырех спутников. Мультиплексные приемники могут работать с большим числом спутников, чем последовательные. Однако точность получаемых данных все же ниже, чем у непрерывных приемников [1 - 3].

2.2. Типы приемников по методу действия

Основная классификация большого разнообразия аппаратных средств GPS и ГЛОНАСС основана на их разделении по используемому методу измерений. Выделяются следующие группы:

· гражданские навигационные приемники, использующие стандартный (C/A или СТ) код на частоте L1;

· кодовые приемники, со сглаживанием псевдодальности по фазе несущей волны;

· военные навигационные приемники, использующие P(Y) код на обеих частотах;

· одночастотные (L1) фазовые приемники;

· двухчастотные фазовые приемники.

Кодовые приемники. Эти приемники определяют положение, обрабатывая информацию, содержащуюся в коде, который содержится в передаваемом спутниками сигнале. Основной недостаток использования только кодового метода – сравнительно низкая точность определения координат (5 метром и более). Применяемое в некоторых приемниках сглаживание псевдодальностей по фазе несущей волны позволяет получать результаты, точность которых составляет порядка 0.5 м.

Фазовые приемники. Эти приемники определяют положение путем обработки измерений фазы несущей волны, наблюдаемой в течение некоторого времени. При обработке сигнала не нужно декодировать переданную информацию, за исключением данных о положении спутников, т.е. навигационных сообщений спутников. Некоторые приемники не имеют возможности принимать закодированный сигнал вообще. В этом случае приемник должен предварительно получать данные о положении спутников из других источников. Преимущество этого метода – его высокая точность. Приемники, в основе измерений по которым лежит фазовый метод, могут обеспечивать сантиметровый уровень точности даже при измерениях в режиме реального времени, когда используются дифференциальные поправки. Главный недостаток этого типа приемников заключается в более сложной обработке измерений и высокой стоимости [1 -3].

2.3. Типы приемников по назначению

Приемники общего назначения. Это наиболее простые и дешевые навигационные приемники. Они обеспечивают определение координат в режиме реального времени. Они могут быть одно- и многоканальными, одно- и двухчастотными, работающими со спутниками GPS, или ГЛОНАСС, или с обеими системами. Точность определения координат по ним составляет порядка 3-30 м.

Приемники общего назначения характеризуются малыми размерами, питаются от батарей, имеют встроенный дисплей. Дисплей обычно на жидких кристаллах, имеет низкое потребление питания и может быть либо буквенно-цифровым, либо графическим. Для большинства приемников этого класса возможна загрузка в них дорожных или топографических карт, а также фотокарт. Антенна может быть внешней для установки на средстве передвижения. Для увеличения функциональности устройства и повышения точности приемников их объединяют с инерциальными системами, баровысотомерами, магнитными цифровыми компасами и другими встраиваемыми устройствами. К приемникам общего пользования можно отнести все портативные GPS-приемники для туризма, а также приемники, встраиваемые в сотовые телефоны, часы и другие устройства [1, 5].

Приемники для определения ориентировки. Эти приемники используются для определения трехмерного расположения объекта относительно Земли. Такие приемники используют несколько антенн, взаимное положение которых должно быть известно.

Авиационные приемники. Эти приемники оптимизированы для применения в авиационной навигации и могут выводить на дисплей навигационные карты. Их точность изменяется в зависимости от класса воздушных судов, на которых прибор планируется использовать. Приемники монтируются на приборной панели пассажирского судна и работают в комплексе с другими приборами. Авиационный навигатор включает в себя подробную базу данных с информацией о таких потенциально опасных препятствиях, как радиовышки и высотные здания, которые отображаются на экране специальными символами.

Авиационные базы данных позволяют на навигаторе определить не только реальное местоположение и свои координаты, но и азимут, названия и расстояния до ближайших аэропортов и проложить маршрут полета (например, база данных Jeppesen) [4].

Навигационные автомобильные приемники, используются для навигации транспортных средств, информационных систем дорожных средств и управления парками дорожных средств. Эти приемники устанавливаются на автомашинах, грузовиках и на поездах. Назначение приемников может изменяться в зависимости от применения, но автомашинах, обычно применяются для навигации шофером или для отсылки сообщения в службу спасения (при несчастном случае). GPS приемники, используемые в автобусах, грузовиках и на поездах предназначаются, главным образом, для отслеживания диспетчерскими службами, а также для определения размера платы за пользование автодорогами.

Современные автомобильные навигаторы способны прокладывать маршрут с учётом организации дорожного движения и осуществлять адресный поиск. Они могут обладать обширной базой объектов инфраструктуры, которая служит для быстрого поиска пунктов общественного питания, автозаправочных станций, мест для стоянок и отдыха. Некоторые модели способны принимать и учитывать при прокладке маршрута информацию о ситуации на дорогах, по возможности избегая серьёзных транспортных заторов. Данные о пробках могут быть получены навигатором посредством мобильной связи, по GPRS протоколу или из радио эфира по каналам RDS диапазона FM [5, 11, 15].

Морские приемники. Эти приемники предназначены для навигации на море. Отличительной особенностью этих приемников является аличие большого экрана, на который выводятся морские навигационные карты, лоции и т.д. Также морские GPS-системы позволяют соединяться с другим навигационным оборудованием и получать от этих устройств нужные данные [6].

OEM (Original Equipment Manufacturer – Оригинальное оборудование изготовителя). Такие приемники предназначены для установки на другом оборудовании. Они поступают от изготовителя как стойка с клавиатурой или модуль без дисплея. Технические характеристики OEM приемников могут изменяться в широких пределах, в зависимости от рынка или оборудования.

К этой же категории аппаратуры можно отнести наборы чипов для спутниковой аппаратуры. Наличие на рынке деталей для спутниковых приемников позволяет любителям создавать свою собственную аппаратуру.

Космические приемники. Эти приемники используются на спутниках, как для навигации, так и для определения положения спутников относительно друг друга. Такие приемники имеют специальную защиту от излучения. Кроме того они приспособлены для работы на больших скоростях, соответствующих скорости орбитального движения космического аппарата.

Приемники для составления карт и сбора данных о местности (топографические приемники). Точность навигационно-топографических приемников, как правило, составляет 10 м до 1 дм при расстояниях до 50 - 500 км. Такая точность обеспечивается за счет работы в дифференциальном режиме. Они могут быть кодовыми и кодово-фазовыми. Последние имеют более высокую точность, но также имеют ограничения по дальности измерений. Топографические приемники оптимальны для сбора данных и пересылки их во внешнюю базу данных. Они часто имеют умеренную точность автономных определений, с возможностью ее повышения дифференциальным методом до 1 м. Их можно использовать вместе с компьютером для сбора и обработки данных. В такие компьютеры можно заранее загружать библиотеку с описанием особенностей объектов съемки (атрибутов и значений атрибутов), тогда оператору остается выбирать из библиотеки подходящий тип объекта, положение которого определяется. Такие приемники также портативны, а антенна крепится к рюкзаку за спиной. В приемник встраиваются различные сенсорные устройства, определяющие уровень радиоактивного загрязнения, кислотность почвы и т.п [1, 5].

Геодезические приемники. Такие приемники предназначены для высокоточных геодезических измерений.

Как правило, такие приемники могут быть фазовыми кодово-коррелированными (иногда употребляется просто «фазовые») и фазовыми безкодовыми, работающими по принципу радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой. Фазовые приемники отличаются по числу каналов – они могут быть одно- и двухчастотными, а также работать с одной или двумя СРНС. Двухчастотные фазовые приемники дают наиболее точные результаты на расстояниях до нескольких тысяч километров и наиболее полно обеспечивают все разнообразие возможностей спутниковой аппаратуры. Наличие двух частот обеспечивает точный учет влияния ионосферы. Приемники геодезического класса используются при построении геодезических сетей [6, 9, 10, 12, 15].

Приемники для определения и хранения времени позволяют определять время с точностью до наносекунды за счет сравнения собственной шкалы времени, основанной на работе сравнительно дешевых кварцевых или рубидиевых генераторов, со шкалой времени спутников, определяя временную задержку по точному позиционированию и орбите спутника. Этот тип приемников предназначен для работы в качестве временной и частотной опоры. Положение в этих приемниках является вторичной информацией. Основная результат работы с такими GPS-приемниками – это выведение через GPS времени, которое стабильно в течение долгого времени и координированно с мировым временем через временной стандарт GPS. Область применения таких приемников очень широка. Наиболее часто ни используются в следующих случаях:

§ при калибровке высокоточных и чувствительных инструментов в лабораториях тестирования;

§ при синхронизации телекоммуникационных цифровых сетей, сейсмографов для точного определения землетрясений;

§ для контроля времени астрономических наблюдений в обсерваториях,

§ при синхронизации записывающих устройств для регистрации ошибок в электрических сетях и др.

Псевдоспутники. Псевдоспутник (иногда называют псевдолит, от английского pseudo satellite – «псевдо-спутник») в его самой простой форме является генератором и передатчиком сигналов GPS и/или ГЛОНАСС. Современные псевдоспутники снабжены несколькими дополнительными возможностями, повышающими их работоспособность, такими как функции передачи сигнала, передачи сообщения в пользовательском формате, и т.д. В последние несколько лет разработки псевдоспутников были в значительной степени связаны с применением их в навигации для точной посадки самолетов. Однако их применение оправдано в районах с недостаточным обзором неба (мониторинг сооружений в городах, работы в карьерах, туннелях, навигация внутри помещений) [1, 16].

ГЛАВА 3. ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ПРИЕМНИКОВ И ПРИЕМНИКОВ ОБЩЕГО ПОЛЬЗОВАНИЯ

3.1. Приемники геодезического класса

Во всем мире насчитывается более 70 компаний, производящих GNSS-оборудование геодезического класса. На сегодняшний день в России наиболее широко представлены следующие фирмы-производители аппаратуры геодезического класса: Allen Osborn Associates, Javad Navigation Systems, Leica Geosystems, NavCom Technology Inc., NovAtel, Septentrio, Sokkia, Thales Navigation, Topcon, Trimble Navigation.

Рассмотрим новейшие GNSS-приемники крупнейших фирм-производителей.

Компания Trimble Navigation Ltd. является крупнейшим в мире изготовителем GPS аппаратуры. На рынке представлен широкий диапазон геодезического оборудования, среди которого есть и GPS-приемники. Компания была основана в 1978 г. Чарли Тримблом, которому приписывают выпуск на рынок первого гражданского одночастотного приемника Trimble 4000A, работавшего по кодам GPS. Компания Trimble выпускает спутниковую аппаратуру для самых разнообразных целей, включая топографические съемки, высокоточные геодезические сети, морская, воздушная и наземная навигация, контроль механизмов и управление машинами, передача и хранение точного времени и т.д. Эта аппаратура применяется и для научных исследований, и в сельском хозяйстве, на транспорте и в строительстве, для создания ГИС и т.д.

Последним выпущенныи компанией Trimble приемником является Trimble R10. Новый приемник Trimble R10 разработан для увеличения производительности геодезических работ. Объединив в едином компактном корпусе целый ряд новейших технологий, таких как Trimble HD-GNSS, Trimble SurePoint™ и Trimble xFill™, приемник Trimble R10 принимает все спутниковые сигналы GNSS, позволяя геодезистам быстрее и проще выполнять измерения в самых сложных окружающих условиях.

Технология Trimble R-Track с функцией Signal Prediction™ позволяет компенсировать прерывистые или слабые сигналы с RTK-поправками, обеспечивая возможность работы с приемлемой точностью даже при потерях RTK-сигнала.

Приемник Trimble R10 одновременно отслеживает сигналы спутников:

–– GPS: L1C/A, L1C, L2C, L2E, L5

–– ГЛОНАСС: L1C/A, L1P, L2C/A, L2P, L3

–– SBAS (ШДПС): L1C/A, L5 (Для спутнике в SBAS, поддерживающих L5)

–– Galileo: GIOVE-A и GIOVE-B, E1, E5a, E5B

–– COMPASS: B1, B2, B3

Приемник Trimble R8 GNSS объединяет самый широкий набор возможностей внутри интегрированной и универсальной системы, предназначенной для решения самых сложных геодезических задач. Приемник Trimble R8 GNSS оснащен встроенным приемопередающим УКВ радиомодемом, что обеспечивает исключительную гибкость при его использовании в качестве подвижного или базового приемника. При работе приемника в качестве базовой станции встроенная функция NTRIP Caster обеспечивает настраиваемый доступ к поправкам от базовой станции через Интернет.

Точность измерений

Дифференциальная кодовая GPS-съемка

· В плане 0,25 м + 1 мм/км СКО

· По высоте 0,50 м + 1 мм/км СКО

· Точность дифференциального позиционирования SBAS обычно <5 м (3 СКО)

Статические GNSS измерения

Высокоточная статика

· В плане 3 мм + 0,1 мм/км СКО

· По высоте 3,5 мм + 0,4 мм/км СКО

Статика и быстрая статика

· В плане 3 мм+ 0,5 мм/км СКО

· По высоте 5 мм + 0,5 мм/км СКО

Кинематическая съемка в реальном времени

От одиночной базы не далее 30 км

· В плане 8 мм+ 1 мм/км СКО

· По высоте 15 мм + 1 мм/км СКО

Для получения заявленных характеристик рекомендуется устойчиво устанавливать прибор в местах с открытым небосводом, свободных от электромагнитных помех и переотражений сигналов, проводить наблюдения при оптимальной геометрии спутникового созвездия, следовать общепринятым правилам проведения высокоточных геодезических измерений, устанавливая продолжительность наблюдений в зависимости от длины базовой линии. Для получения высокой точности измерений в статическом режиме на базовых линиях более 30 км необходимо использовать точные эфемериды и длительные сеансы наблюдений (до 24-х часов) [12].

Leica Geosystems – современное название знаменитой компании, которая с 1920-х годов специализируется на оптических геодезических инструментах. Исходное имя компании было WILD, штаб квартира располагалась в городе Хербург, Швейцария. Компания Leica/Wild включила GPS-приемникив спектр выпускаемого оборудования в конце 1980-х, когда совместно с корпорацией Magnavox Corporation был изготовлен приемник Wild WM101.

Наиболее функциональным GNSS-приемником от Leica Geosystems является приемник Leica VIVA GS12.

Leica Viva GNSS VIVA GS12 обеспечивает широкий выполнение широкого спектра задач: от съемки с помощью передвижного GNSS-приемника до GNSS-решения, интегрированного с Viva Total Station (Viva SmartPole или Viva SmartStation).

В приемнике реализованы следующие новейшие технологии:

- SmartCheck – RTK-технология, позволяющая контролировать точность и качество результатов измерений;

- SmartTrack – современная технология приема сигналов всех спутниковых систем, настоящих и будущих;

- SmartRTK – стабильная работа в любой сети базовых станций.

Приемник совместим со следующими спутниковыми системами: GPS: L1, L2, L2C, L5 (C/A, P, C Code) GLONASS: L1, L2 (C/A, P narrow Code); Galileo (Test): GIOVE-A, GIOVE -B; Galileo: E1, E5a, E5b, Alt-BOC; Compass; SBAS: WAAS, EGNOS, GAGAN, MSAS.

Точность измерений

Точность измерений (СКО) в постобработке

· Статика в плане:3 мм + 0.5 мм

· Статика по высоте:6 мм + 0.5 ppm

· Кинематика в плане:5 мм + 0.5 ppm

· Кинематика по высоте:10 мм + 0.5 ppm

Точность измерений (СКО) в реальном времени (RTK)

· Cтатика в плане 5 мм + 0.5 ppm

· Cтатика по высоте10 мм + 0.5 ppm

· Кинематика (фаза) в плане:10 мм + 1 ppm

· Кинематика (фаза) по высоте:20 мм + 1 ppm

Реализованы многие функции, повышающие удобство работы с прибором. Пользователь может в полевых условиях менять съемные устройства связи, необходимые для работы на базовой станции и передвижном приемнике в режиме RTK. Существует возможность полной модернизации приемника. Интегрированный Web-сервер для настройки записи данных в форматах Leica или RINEX позволяет производить полевые измерения без дополнительных операций записи данных [7, 10].

Компания JavadPositioningSystems (JPS) была основана известным специалистом в области спутниковых систем доктором Джавадом Ашджаи (Dr. Javad Ashjaee). Штаб квартиры компании находились в Сан-Хосе (Калифорния, США) и в Москве (Россия). JPS имеет одну из самых сильных команд разработчиков GPS аппаратуры в мире.

Новейшим продуктом компании Javad GNSS является ГНСС-комплекс TRIUMPH-VS, совмещающий в себе всечастотную высокоточную спутниковую антенну, мощный 216-ти канальный многосистемный приемник с частотой обновления данных до 100 Гц, обеспечивающий точность до 3 мм, и многофункциональный контроллер с активным цветным дисплеем. Программное обеспечение прибора позволяет с легкостью настраивать его на разные виды работ, загружать обновления с сайта компании JAVAD GNSS, получать техническую поддержку онлайн. При работе в режиме “Lift & Tilt” (Держи & Наклоняй) TRIUMPH-VS начнет запись файла автоматически, когда прибор будет установлен вертикально. Чтобы остановить запись и закрыть файл, достаточно просто наклонить прибор.

Приемник работает со спутниковыми системами GPS L1/L2/L2C/L5, Galileo E1/E5A/E5B, AltBOC, ГЛОНАСС L1/L2/L3, COMPASS L1/E5B, QZSS SBAS.

Точность измерений

Автономная точность <2 м

Статика, Быстрая статика

· По горизонтали: 0.3 см + 0.5 ppm * длина_базовой_линии

· По вертикали: 0.5 см + 0.5 ppm * длина_базовой_линии

Кинематика

· По горизонтали 1 см + 1 ppm * длина_базовой_линии

· По вертикали: 1.5 см + 1 ppm * длина_базовой_линии

Этот комплекс снабжен также дополнительными устройствами, такими как встроенный контроллер и ПО, компас и уклономеры. Он поддерживает функции Ethernet, WiFi 802.11b и Bluetooth, что делает работу с ним ещё более комфортной для пользователя [9].

Характеристики некоторых типов современной спутниковой геодезической фазовой аппаратуры

3.2. GPS-приемники общего пользования

Основные производители приёмников для массового применения:

× Garmin

× GlobalSat

× teXet

× GlobusGPS

× iBlue

× Novacom Wireless

× JJ-Connect

× Holux

× Magellan Navigation

× Mitac

× Navigon — Navigon

× Qstarz

× ThinkWare

× TomTom

× TSI

× xDevice и т.д.

Рассмотрим наиболее популярные на российском рынке модели.

Одним из самых известных производителей портативных GPS-приемников для широкого круга пользователей является компания Garmin. Компания выпускает линейку удобных портативных GPS-навигаторов, которые можно использовать в качестве незаменимого проводника в походах, в путешествиях или на прогулке по незнакомым местам города. Приборы Garmin в зависимости от модели могут быть оснащены сенсорным экраном, встроенной фотокамерой, слотом для карты памяти, функцией поддержки Ethernet, Wi-Fi, Bluetooth и т.д.

Наиболее популярные модели – GPSMAP 62 и eTrex Vista.

GPSMAP 62s и его модификации включает в себя 3-осевой компас с компенсацией наклона и барометрический альтиметр, а также поддерживает функции Custom Maps (пользовательские карты), спутниковые изображения BirdsEye™ (требуется подписка на обслуживание) и фотонавигацию. Прочный и водонепроницаемый прибор GPSMAP 62s использует антенну quad helix для надежного приема спутниковых сигналов и высокоскоростное соединение USB. Кроме того, устройство характеризуется новым компактным дизайном и обеспечивает беспроводное подключение к совместимым портативным навигаторам Garmin. Максимальная точность определения плановых координат составляет 3 м.

Прочный прибор eTrex Vista H, идеально подходящий для туристов и альпинистов, включает в себя высокочувствительный GPS-приемник, подробную базовую карту, барометрический альтиметр, электронный компас и 24 МВ внутренней памяти для хранения данных. Базовая карта прибора Vista включает озера, реки, города, магистрали, шоссе, железные дороги и береговые линии. Кроме того, устройство Vista также поставляется с предзагруженными морскими навигационными знаками. Благодаря наличию внутренней памяти объемом 24 MB и USB порту возможна загрузка более подробных карт [13].

Одна из самых новых моделей в линейке портативных GPS-приемников Garmin – Garmin eTrex 20 Глонасс – GPS. Главная его особенность – это возможность использования ГЛОНАСС и GPS-спутников одновременно. Существует возможность использовать только GPS, но нет возможности использовать только ГЛОНАСС. Теоретически ГЛОНАСС улучшит точность. Это может быть особенно полезно в северных широтах , в городах и природных низинах. ETREX 20 полностью совместим с продуктом Garmin BirdsEye, т.е. возможно использование в качестве подложки фотокарт [6].

Компания GlobalSat специализируется на производстве GPS-приемников для автомобильной навигации, встраиваемых GPS-модулей для компьютеров, телефонов и другой электронной техники. Последние несколько лет GlobalSat фокусировала свои усилия на технологиях GPS, Bluetooth и беспроводной мобильной связи. В качетсве примера продукции этой компании приведем GPS приёмник - часы GlobalSat GH-625M. Это наручный GPS приёмник с датчиком пульса, совмещающий функции GPS-навигатора и системы для спортивных тренировокGlobalSat GH-625M - это лёгкий и исключительно удобный GPS приёмник для туризма, рыбалки и охоты, спорта, прогулок и активного отдыха [11].

Отечественная компания teXet также специализируется на выпуске GPS-навигаторов для автомобилистов. В линейку GPS-навигаторов teXet, имеющих наибольшую функциональность входят такие модели как teXet TN-600 и teXet TN-600 Voice — устройства оснащенные GSM/GPRS-модулем [8].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящее время на рынке находятся сотни моделей приемников. Считается, что с 1997 г. ежегодно производится более миллиона приемников. Спутниковые системы становятся частью нашей повседневной жизни и существенным элементом коммерческой и общественной инфраструктуры.

Сейчас в России и мире накоплен достаточный опыт геодезических работ с применением спутниковых технологий. Однако нужно помнить, что спутниковые технологии, хотя они во многом подобны классическим методам геодезии, но в то же время имеют множество особенностей, неучет которых может иметь серьезные последствия. Тоже самое касается и использования GPS-приемников в повседневной жизни. Не стоит забывать, что любое электронное устройство может давать сбои, что может отрицательно сказаться на проведении отдыха или навигации на дороге.

GPS-приемники стали эффективным средством для упрощения и оптимизации геодезических работ, для повышения комфортности туризма и отдыха, автодорожной навигации, морской и авиационной навигации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Антонович К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии. – М.: ФГУП «Картгеоцентр», 2005. –334 с.

2. Генике А.А., Побединский Г.Г. Глобальные спутниковые системы определения местоположения и их применение в геодезии. — М.: Картгеоцентр, 2004. — 355 с.

3. Серапинас Б.Б. Основы спутникового позиционирования: Учебное пособие. – М.:Географический факультет МГУ, 2012. – 256 с.

4. Авиационные навигаторы Garmin //http://www.garmin.ru/avia-navigatory-cat/#.UJoFxMW6dIE

5. ГИС-Ассоциация //http://www.gisa.ru/

6. Компания Garmin //http://www.garmin.ru

7. Компания GEOOPTIC //http://www.geooptic.ru/GNSS-GPS-Systems/Leica-Viva-GS12/

8. Компания GLOBALSAT //http://www.globalsat.ru/catalog/avtomobilnye-navigatory/gh-625m

9. Компания Javad // http://www.javadgnss.ru/

10. Компания Leica Geosystems //http://www.leica-geosystems.ru

11. Компания teXet //http://www.texet.ru/gps/

12. Компания Trimble //http://www.trimble.com/

13. Обзор GPS-приемника Garmin ETREX 20 // http://www.garmin-gps.ru/articles/etrex20/etrex20.html

14. GNSS система Ttimble R10. Технические характеристики //http://www.geokontinent.ru/upload/022543-544A-RUS_Trimble_R10_DS_1012_LR.pdf

15. GPS-приемники //http://ru.wikipedia.org/wiki/GPS-%D0%BF%D1%80%D0%B8%D1%91%D0%BC%D0%BD%D0%B8%D0%BA

16. Pseudolites – a new tool for surveyors? //http://www.gmat.unsw.edu.au/snap/publications/choi_etal2000.pdf