Знать свое место

Глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) в зависимости от приложений и требуемого класса точности способны определять координаты объектов с погрешностью от десятков метров в общедоступных устройствах GPS/ГЛОНАСС до нескольких сантиметров — и по горизонтали, и по высоте — в сложных геодезических системах Real Time Kinetic (RTK).

Навигационные спутниковые системы находят применение в различных отраслях — прежде всего они используются в системах мониторинга движения автотранспорта. ГНСС становятся неотъемлемым элементом служб спасения при авариях и несчастных случаях. Высокая точность, обеспечиваемая системами RTK, позволяет использовать их в сельском хозяйстве и строительстве — вплоть до автоматизации уборочных, посевных, планировочных и дорожных работ.

ГНСС, увы, не всегда доступны: число спутников может быть недостаточно, они могут находиться вне зоны видимости из-за неподходящего рельефа местности или особенностей распространения радиоволн. В этих случаях на помощь могут прийти альтернативные или дополнительные спутниковые навигационные системы и вспомогательные методы определения координат — сотовые сети или Wi-Fi.

Американская GPS и российская ГЛОНАСС концептуально схожи и используют орбитальные группировки спутников на круговых орбитах высотой около 20 тыс. км; обе системы в полной конфигурации насчитывают до 30 спутников. Иллюстрация: NASA

Мультисистемы

Сегодня успешно эксплуатируются уже две системы ГНСС — американская GPS и российская ГЛОНАСС. Обе ведут начало с середины 70-х годов, концептуально схожи и используют орбитальные группировки спутников на круговых орбитах высотой около 20 тыс. км. Обе системы в полной конфигурации насчитывают до 30 спутников (включая резервные). Для пользователя гибридных систем навигации это означает практически удвоенное число спутников, доступных для определения координат: на открытых участках местности могут быть одновременно видны от 14 до 18-20 спутников GPS и ГЛОНАСС.

Гибридные системы GPS/ГЛОНАСС используются для прецизионных измерений уже больше десяти лет. Около 90% клиентов шведской компании Swepos, специализирующейся на обеспечении прецизионных систем ГНСС, используют гибридные устройства GPS/ГЛОНАСС. Один из производителей прецизионного оборудования ГНСС, компания Topcon, разрабатывает такие системы с 2000 года и считает их наличие необходимым условием для увеличения доступности измерений и снижения времени простоя. Преимущества гибридных систем оказались настолько очевидны, по крайней мере для Topcon, что компания реализовала для их продвижения любопытную маркетинговую стратегию Cinderella (Золушка): каждый второй вторник месяца ГНСС-приемник компании может на сутки превращаться в... волшебную карету? — нет, всего лишь в гибридный приемник GPS/ГЛОНАСС.

Начиная с 2006 года примеру Topcon последовали другие производители геодезических устройств. Мультисистемное оборудование GPS/ГЛОНАСС для геодезических и прецизионных измерений изготавливают сегодня не менее восьми компаний, включая Javad, Trimble, Ashtech, NovAtel и др.

У ГЛОНАСС и GPS скоро появятся конкуренты. В 2014-2016 годах на орбиту должны быть выведены все 30 запланированных спутников (27 операционных и 3 резервных) европейской навигационной системы Galileo. А до 2020 года должна начаться эксплуатация еще одной глобальной системы навигации — китайской Compass (BeiDou-2), которая объединит около 35 геостационарных и среднеорбитальных спутников. Тогда точность и надежность гибридных систем, вероятно, еще больше возрастет.

Разумеется, гибридные системы геолокации имеют преимущества не только для прецизионных измерений; они могут оказаться бесценны на любых площадках с ограниченным обзором — например, в горах и в городских условиях, где нередки ситуации, когда кусочек неба виден только над головой или, в лучшем случае, вдоль улицы. Благодаря увеличенному числу спутников вероятность обнаружить в сложных условиях хоть какое-то их число будет гораздо выше. То есть мультисистемность может сделать спутниковую навигацию возможной даже в экстремальных условиях.

Долго ждать не придется: с марта телефоны с поддержкой GPS/ГЛОНАСС предлагает своим абонентам МТС, а до конца года к ней наверняка присоединятся другие операторы и производители.

Мультичипы

Гибридные системы GPS/ГЛОНАСС используются для прецизионных измерений уже больше десяти лет

В попытке сдвинуть распространение ГЛОНАСС в массовом секторе с мертвой точки прошлой осенью российское правительство сообщило о планах введения с 2011 года таможенных пошлин в размере 25% на все устройства ГНСС, которые не поддерживают ГЛОНАСС.

Совпадение или нет, но сразу после объявления пошлин буксовавшие ранее проекты поддержки ГЛОНАСС стали развиваться стремительно. О поддержке российской навигационной системы (пока на программном уровне) в процессорах для сотовых телефонов заявила компания Qualcomm, а в ее новом поколении процессоров для сотовых телефонов обещана аппаратная реализация ГЛОНАСС. В январе о поддержке гибридных продуктов GPS/ГЛОНАСС заявили также такие известные игроки, как Atheros, Broadcom и CSR.

Еще дальше продвинулась STMicroelectronics: анонсированный ею в январе однокристальный навигационный приемник третьего поколения Teseo II обещает поддержку сразу четырех навигационных систем — GPS, Galileo, ГЛОНАСС и региональной японской системы QZSS. Вскоре после этого анонса российская компания Ultrastar сообщила о сотрудничестве с STMicroelectronics, в рамках которого для радиомаяков Starline будет разработана версия микросхемы Teseo II с пониженной на 15-20% потребляемой мощностью. Заявленная точность определения координат Teseo II посредством GPS — 1,5 м, о точности гибридной системы пока не сообщается, но уже сейчас понятно, что в городских условиях она будет работать и стабильнее, и надежнее.

Гибридные микросхемы для навигационных приемников выпускаются и в России, но пока что они недостаточно компактны, потребляют много энергии и стоят дороже зарубежных аналогов. Если ситуация не изменится, такие микросхемы будут востребованы только госзаказчиками и прежде всего в приложениях, связанных с обороной и безопасностью.

Сотовые сети и Wi-Fi

Многие модели сотовых телефонов поддерживают технологию Assisted GPS (A-GPS), ускоряющей «холодный старт» GPS-приемника и точность измерений в городских условиях с помощью дополнительной информации и поправок, передаваемых через сотовую сеть оператора. Такая технология позволяет уменьшить требования к числу видимых спутников, необходимых для работы GPS, и с помощью триангуляции сигналов от базовых станций предоставить дополнительную информацию о координатах пользователя с погрешностью 200-500 м. Эта информация может служить для уточнения данных GPS. Синхронизация базовых станций друг с другом (посредством систем ГНСС или технологии Sinchronous Ethernet/SDH) позволяет достаточно точно вычислить время распространения сигналов и, уже на основании информации о положении базовых станций, определить местонахождение сотового телефона. Обработка и получение результатов осуществляются в клиент-серверном режиме.

Глобальные системы позиционирования зачастую бесполезны в закрытых помещениях и других местах, где невозможен уверенный прием сигналов нескольких спутников. С повсеместным распространением беспроводных локальных сетей, пунктов беспроводного доступа и беспроводных интернет-центров у систем позиционирования появился еще один помощник — технология Wi-Fi, позволяющая без дополнительных затрат со стороны клиента довести точность измерения координат в закрытых помещениях до 10-20 м. Примером реализации такого способа позиционирования может служить Wi-Fi Positioning System (WPS), разработанная компанией Skyhook Wireless. Эта система использует базу данных MAC-адресов беспроводных точек доступа, насчитывающую уже более 23 млн стационарных беспроводных устройств с привязкой к географическим координатам. После подключения к такой беспроводной точке доступа, зная ее MAC-адрес, можно произвести соответствующий запрос (запросы) и после несложных вычислений определить координаты пользователя с точностью 100-200 м. Для повышения точности измерений может использоваться информация об уровне сигнала. Обязательным условием для работы WPS является информация о координатах беспроводных точек доступа, занесенных в геоинформационную базу Skyhook. Аналогичными базами сегодня располагают компании Broadcom, Apple и Google.

Для наполнения баз используют специализированные автомобили, обеспечивающие точную пеленгацию точек доступа и определение их координат. Кроме того, базу пополняют и уточняют сами пользователи. Так, например, телефоны iPhone при каждом новом запросе к Google Maps (и базе Skyhook) определяют MAC-адреса близлежащих беспроводных точек доступа, отслеживают работоспособность точек доступа, уже занесенных в базу, и уточняют их координаты на основе данных систем WPS, GPS или A-GPS. Еще более серьезный выигрыш достигается при объединении этих данных. Соответствующая система, обрабатывающая одновременно данные спутниковой, сотовой и Wi-Fi-навигации, получила название XPS и, как заявляют в Skyhook, особенно эффективна в городских условиях и закрытых помещениях.

Как сообщает Skyhook, в городских условиях для более точного определения координат системе WPS достаточно двух спутников GPS.

Система WPS реализована для платформ Android, iOS, Linux, Mac OS X, Symbian, Windows Mobile и Windows 7 (в последней нужные настройки можно активировать через панель управления, раздел Location and other Sensors, установив датчик Geosense Location Sensor, который показывает неплохие результаты в России). Среди альтернативных решений, обеспечивающих геопозиционирование с помощью Wi-Fi, можно назвать Google Location Services.

Если в закрытых помещениях необходима более высокая точность измерения координат, можно использовать системы на основе триангуляции сигналов точек доступа Wi-Fi. Точность измерения координат, в зависимости от типа помещений и условий для многолучевого распространения беспроводных сигналов, может достигать двух-трех метров.

MEMS

К непременным компонентам современных смартфонов относятся микроэлектромеханические устройства (MEMS): акселерометры, гироскопы и магнитные компасы, которые могут служить источником дополнительной информации о положении телефона и его владельца. Эти данные, пусть пока и не очень точные, с успехом используются для компенсации эффектов многолучевого распространения в приемниках ГНСС, особенно в городских условиях, где переотражений может быть много, а наблюдаемых спутников, особенно тех, для которых соблюдаются условия прямой видимости, мало.

ГНСС +. ..

Индустрия спутниковой навигации, как видим, на подъеме. Вне всякого сомнения, по мере взросления этой технологии человечество ждут серьезные открытия и изменения в способах ведения бизнеса, сельского хозяйства, строительства — и повседневной жизни.