Cпутниковые Системы

42

6 РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ СНС ДЛЯ РЕШЕНИЯ НАВИГАЦИОННЫХ ЗАДАЧ

6.1 Примеры использования системы GPS

Кто же и как использует GPS? Вообще говоря, GPS может найти применение везде, кроме мест, где нельзя принимать спутниковые сигналы, т.е. в зданиях, под землей, под водой и т.п. В авиации наиболее распространено применение GPS в качестве навигационного на коммерческих и любительских самолетах. На море GPS обычно также используется рыбаками и любителями отдыха на море в качестве навигационного прибора. Наземное применение GPS очень разнообразно. Достаточно интересным является использование GPS многими учеными и исследователями в качестве источника точного времени. Действительно, как уже говорилось выше, определение времени прохождения радиосигнала лежит в основе самой идеи GPS. С этой целью внутренние часы приемника постоянно синхронизируются с прецизионными атомными часами, установленными на спутниках. Это позволяет обеспечить точность измерения времени от микродо наносекунд. Поэтому при проведении научных экспериментов становится возможным повсеместно иметь абсолютно точные отметки времени. Нельзя, конечно забывать, что и информация о положении в ряде экспериментов тоже может представлять интерес.

Важное место занимает GPS в работе спасательных служб. GPS позволяет существенно сократить затраты, связанные с поисковыми работами и значительно сократить время проведения спасательных операций. Используемые этими службами GPS-приемники стоят около 3 000 $ и обеспечивают точность до 1 м. Существуют и еще более дорогие модели, обеспечивающие точность до нескольких сантиметров! Цели, для которых GPS используется любителями отдыха на природе, так же разнообразны, как и виды такого отдыха. Сегодня GPS становится

© Карасев В.В.

42

43

чрезвычайно популярным среди любителей пешего, горного, водного и лыжного туризма, охотников, рыболовов, велосипедистов и еще многих других. Любой, кому нужно знать, где он находится и откуда пришел, как ему добраться до нужного места, с какой скоростью он движется и когда доберется до цели – может легко пользоваться преимуществами, предоставляемыми GPS.

Примеры использования спутниковых систем позиционирования

•Основные направления использования средств спутниковой навигации

игеодезии классифицированы, и многократно описаны. В первую очередь это:

•Навигация морских, воздушных судов, наземных транспортных средств, а также космических аппаратов

•Создание глобальной и высокоточной службы времени

•Геодезические и картографические работы* (смотри ниже)

•Управление городским хозяйством и территориями

•Мониторинг объектов и территорий

•Военное дело

•Устранение последствий природных и техногенных катастроф

Но это не все. Упомянутыми областями отнюдь не исчерпывается весь спектр задач, при решении которых GPS станет полезным или просто незаменимым. Сообщения о новых, подчас весьма необычных, сферах применения GPS, продолжают приходить регулярно, почти еженедельно. Вот только некоторые из них, о которых уже сообщалось ранее:

•Американские специалисты обнаружили, что повысить устойчивость сетей беспроводного доступа к атакам с помощью так называемых "червей" можно, включив в структуру пакетов данные о географическом положении источника, получаемые с помощью GPS.

•Успешно прошел испытания прототип GPS-устройства, вживляемого в тело человека.

© Карасев В.В.

43

44

•В Москве стартовал первый этап программы по внедрению системы спутниковой навигации и управления автотранспортом.

•Места находок фрагментов шаттла «Колумбия» фиксируются с помощью приемников GPS.

•Шумахеру создали шлем с GPS.

•Сеть GPS-станций, создаваемая в Калифорнии, позволит выдавать сигнал, предупреждающий об опасности крупного землетрясения.

•Сигналы спутников GPS помогут в картографировании малоизученных, но сильно влияющих на климат океанических вихрей.

•GPS-приемники помогают ориентироваться слепым.

•Финские охотничьи собаки получают GPS-приемники и возможность лаять по мобильнику.

•В США выпустили «персональный GPS-локатор для детей».

•GPS можно будет вшивать в одежду, … и надевать на перелетных птиц.

•GPS позволит создать «черный ящик» для искусственных спутников Земли.

•Мониторинг GPS-сигналов со спутника позволил разработать принципиально новую и высокоэффективную систему контроля состояния атмосферы.

•В Великобритании пожирающие слизняков роботы используют GPS, защищая национальную клубничку от вредителей.

*Вот некоторые примеры использования GPSтехнологий в геодезии:

1. Национальное управление Франции CNASEA проводит работы по созданию кадастра бывшей французской колонии Майотте. Необходимые измерения на территории 375 кв. км были выполнены за 15 дней с использованием GPSприемников PathFinder Pro XR фирмы Trimble. При применении традиционных геодезические методов на это потребовалось бы около 15 лет.

© Карасев В.В.

44

45

2. Специалисты АО “ЗапУралТИСИЗ” использовали приемники 4000ST фирмы Trimble для проведения работ по развитию геодезической сети в г. Уфа. Бригада из двух человек построила триангуляцию из 15 пунктов за 5 дней, тогда как при использовании существующих методов геодезических измерений такую же работу выполняет бригада из пяти человек за 2 недели.

6.2 Диспетчерские службы

Очень широкое распространение в мире получили системы автоматического определения координат движущихся объектов на основе

GPS или системы GPS/AVL (Automatic Vehicle Location). С их помощью на современном уровне решаются задачи диспетчеризации транспортного парка. Каждый автомобиль оснащается GPSприемником и радиосвязным оборудованием, обеспечивающим передачу информации на диспетчерский пункт. На экране монитора диспетчера с использованием программного обеспечения ГИС формируется электронная карта территории, которая обслуживается транспортными средствами. Данные о координатах и скорости движения автомобилей, полученные по радиоканалу, позволяют отобразить их текущее положение на этой карте. Помимо координатной информации по радиосвязной линии могут передаваться сигналы различных датчиков, установленных на автомобиле и другая информация.

Возможности системы:

−Диспетчер отслеживает в реальном времени перемещения всех автомобилей.

−На электронной карте выделяются зоны, при попадании автомобилей в которые подается сигнал диспетчеру.

−При отклонениях автомобилей от заданного маршрута у диспетчера срабатывает сигнализация.

−С диспетчерского пульта контролируется состояние датчиков, установленных на каждой подвижной единице: топливных,

© Карасев В.В.

45

46

температурных, несанкционированного вскрытия контейнеров, переворачивания автомобиля, включения “мигалки” и т.д.

−Стандартные сообщения водителя могут быть запрограммированы так, что при нажатии соответствующей кнопки в автомобиле к диспетчеру поступает информация типа: “пробка на дороге”, “попал в аварию”, “задержан милицией”, “нападение”, “захват”. Эти сообщения при необходимости легко кодируются и могут использоваться в случаях, когда надо соблюдать режим радиомолчания.

−По команде с диспетчерского пункта блокируется система зажигания, двери салона автомобиля и контейнера.

−В кабине автомобиля может быть установлен специальный бортовой компьютер, работающий в режиме терминала. Кроме текстовых сообщений между водителем и диспетчером передаются специальные формы (накладные, маршрутные листы и пр.).

Моделирующие возможности ГИС диспетчера позволяют оптимизировать маршруты доставки грузов с учетом различных факторов.

Некоторые примеры использования GPS/AVL систем приведены ниже.

Компания SonyMobileComm разработала GPS/AVL систему NVX-F160 с

программным обеспечением EtakGuide. Автомобили оборудованы 8- канальными GPSприемниками, которые опрашиваются с частотой 1 Гц. Карты 48 штатов территории США, схемы 32 главных американских дорог, планы 1000 парков и 5000 мест отдыха записаны на прилагаемом компактдиске. Фирмы TeleAtlas и Philips Car Systems подписали соглашение о совместном производстве подобных компакт-дисков с цифровыми картами различных территорий.

Система Priority One (разработка американской фирмы Greenfield Associates), кроме стандартных AVLфункций, обеспечивает водителю приоритетный проезд через самые сложные участки дорог в пределах города. Для определения оптимального пути движения используется информация о координатах и скорости автомобиля, а также возможных альтернативных

© Карасев В.В.

46

47

маршрутах и загруженности перекрестков. Установленный на автомобиле 12канальный GPSприемник фирмы Canadian Marconi обеспечивает в дифференциальном режиме точность определения координат не хуже 5 м.

Диспетчерские GPSсистемы используются в службе инкассации ИНКОМБАНКа (г. Москва), некоторых управлениях МВД России и Казахстана, специальном техническом управлении МЧС России.

6.3 Воздушная навигация

Еще на заре эры применения GPS-приемников для целей воздушной навигации были получены потрясающие результаты: более точное следование заданному маршруту полета, которое обеспечивалось использованием GPS-навигации, давало экономию топлива в десятки млн. USD в год на каждый самолет.

Известны примеры использование DGPS для реализации систем “слепой посадки” самолетов. Отклонение самолета от осевой линии ВПП не превышало 10 - 30 см. Причем, если сейчас системы, обеспечивающие надежную посадку в условиях плохой видимости, очень дороги (их могут себе позволить только крупные аэропорты), то стоимость подобной системы на основе DGPS будет по карману даже самым маленьким аэродромам. Такие системы, вероятно, давно бы стали стандартными во всем мире, если бы не непредсказуемое поведение Министерства обороны США в области GPS. Обнадеживающим является заявление американских властей о снятии с 2000 г. ограничений на использование GPS-сигналов. Кроме того, сейчас ведутся активные работы по реализации общеевропейского радионавигационного плана (скорее всего, Украина также примет в этом участие). Предусматривается развертывание в околоземном пространстве системы низкоорбитальных и геостационарных ИСЗ, которые позволят выдавать точные параметры орбит GPS-спутников и вычислять дифференциальные поправки. На поверхности Земли также будет действовать сеть станций для ретрансляции поправок в пределах всей европейской территории.

© Карасев В.В.

47

6.4Навигация морских судов

GPS-приемники используются для навигации морских судов, занимающихся ловлей лангустов у западного побережья Австралии (в 1995 г. общий объем промысла составил около 240 млн. USD). Годовая лицензия на одну ловушку стоит 15 тыс. USD, а каждый хозяин судна имеет их не менее 100. Бортовые GPS-приемники работают в дифференциальном режиме, причем для выдачи поправок используется система из 10 базовых станций (9 находятся на территории Австралии и 1 - в Новой Зеландии). Экономия топлива за счет меньших отклонений от маршрута только в течение одного сезона составляет около 10 тыс. USD. В некоторых случаях, когда теряются маркерные буи или ловушка отцепляется от троса, только точная DGPSнавигация позволяет успешно завершить поиски ловушек.

В очень скором будущем GPS станет стандартным оборудованием автомобилей. Некоторые базовые системы, как, например, вызов техпомощи и полиции на место аварии, уже начали внедряться, (водитель нажал кнопку, GPS-приемник определил координаты и передал их вместе с сигналом вызова на диспетчерский центр и – выездная бригада уже знает, куда ехать, что то похожие на ГМССБ). Внедряются также и другие системы, которые отображают на экране Ваше положение и помогают прокладывать маршрут через лабиринты улиц и дорог. Для контроля передвижения спецавтомобилей (например, инкассаторских) и для борьбы с угонами начали использоваться системы, постоянно отслеживающие положение движущегося объекта на карте местности.

49

7 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Состояние отечественной системы позиционирования в настоящее время не дает возможности эксплуатировать ее в соответствии с предъявляемыми техническими требованиями по банальной причине – у страны нет на это ресурсов, и в обозримом будущем не предвидится. Стоимость эксплуатации столь сложных спутниковых систем будет во многом определяться продолжительностью работы самих спутников и частотой их замены. В этом отношении ГЛОНАСС опять явно уступает GPS.

Судя по данным представленных в дипломе, самый старый из работавших в мае этого года спутников GPS был запущен в 1989 г. (возраст 14 лет), в то время как старейший спутник ГЛОНАСС – в 1998 г. (5 лет). По спутникам только первого поколения GPS (блок I), выводившимся на орбиты в конце 70-х – начале 80-х гг., средняя продолжительность функционирования составила 7,12 лет. Поддержание состояния орбитальной группировки с помощью недостаточно долговечных спутников приведет к значительному превышению стоимостью ее эксплуатации по сравнению с конкурентом – GPS.

Теоретически наивысшую точность определения местоположения дает использование сигналов спутников одновременно и американской, и российской систем. Но на практике ситуация выглядит несколько сложнее. Можно сказать, что ГЛОНАСС не оправдал ожиданий. При необходимости одновременной работы не менее 24 спутников в реальности их (в работоспособном состоянии) никогда не было больше 11-15. Например, по состоянию на январь 1999 г. на орбите работало 24 американских спутника, но при этом российских было всего 16, причем 5 из них в нерабочем состоянии. Но и это еще цветочки.

Неточность в определении расстояний приводила к тому, что в этот период реальная точность измерения местоположения с помощью российской ГЛОНАСС колебалась от 100 до 24000 метров, что не в полной мере отвечает потребностям высокоточной навигации и геодезии. Как

© Карасев В.В.

49

50

следствие, федеральное авиационное управление США FAA приостановило процесс выработки технических стандартов на использование ГЛОНАСС. Так было, напомним, в 1999 г. Сейчас спутников осталось всего 8, и не все из них работают. По данным, на 5 мая 2003 г. работало всего семь спутников, к тому же неравномерно распределенных по орбитальным плоскостям.

Однако одними лишь спутниками все проблемы ГЛОНАСС не исчерпываются – есть еще наземный сегмент, аппаратура пользователей. Без достаточного количества недорогих, удобных и надежных пользовательских приемников полноценная эксплуатация системы невозможна.

Состояние нашей промышленности не вселяет уверенности в то, что она способна самостоятельно обеспечить потребителей высококачественной серийной продукцией. А без массового производства невозможно ни доведение стоимости отдельного приемника до приемлемого уровня, ни отработка технологии. Ряд экспертов полагают, что ГЛОНАСС находится в тяжелейшем положении и не имеет перспектив как коммерческая система, а рынок наземной потребительской аппаратуры для ГЛОНАСС находится в коматозном состоянии и его нельзя сравнивать ни по объему, ни по номенклатуре, ни по эксплуатационным характеристикам с GPS-рынком, имеющим почти десятилетнюю историю. При этом анонсирование некоторыми западными и российскими компаниями выпуска совмещенных ГЛОНАСС/GPS-приемников, также не выведет в этом тысячелетии ГЛОНАСС из этого состояния, так как цена этих приборов просто несопоставима со стоимостью GPS-комплексов, а рынок для них весьма незначителен и фактически исчерпывается только лишь задачами аэронавигационного обеспечения.

В сложившихся условиях фактический запрет на массовое использование уже имеющихся на рынке GPS-приемников не только наносит тяжелейший вред отечественной промышленности, жизненно заинтересованной в высокоточных пространственных данных, но и лишает возможности привнести культуру работы с высокоточными

© Карасев В.В.

50

51

пространственными данными в широкие массы. Ситуация в этой области привычно парадоксальна. Страна с одной из лучших в мире школ картографии не имеет открытых и доступных высокоточных карт местности

– а значит, не имеет их вовсе (закрытые для широкого доступа карты тоже стремительно устаревают – причем тем быстрее, чем крупнее масштаб).

Ущерб государственным интересам, угрозу для которых сегодня в первую очередь представляет ситуация в экономике и в промышленности, вследствие запрета на широкое использование GPS трудно оценить - достаточно представить на секунду, что в России требовалось бы получение специального разрешение на приобретение импортного компьютера, программного обеспечения или мобильного телефона. Страна, у которой от былого могущества остались разве что территории, лишается самой возможности отобразить эти территории и навести на них порядок. Тем самым она лишается перспектив. А перспективы - как никогда заманчивы.

© Карасев В.В.

51