З точністю до сантиметрів: що таке GNSS і GPS сигнали та яка між ними різниця

GNSS (Global Navigation Satellite System) — це всі глобальні навігаційні системи, що використовують супутники, аби визначити координати, напрямок руху та швидкість об’єкта в будь-якій точці на Землі, в морі чи в повітрі. 

GNSS містить кілька супутникових систем із різних країн: GPS (США), ГЛОНАСС (росія), Galileo (Європейський Союз), BeiDou (Китай), QZSS (Японія) та інші.

GPS (Global Positioning System) — одна з систем GNSS, перша і найвідоміша. Була розроблена Міністерством оборони США у 1978 році. З 1994 року доступна по всьому світу.

До складу систем GNSS та GPS входять:

• Супутники — обертаються навколо Землі на висоті близько 20 тисяч кілометрів. Кожна система містить на орбіті свої супутники — штатні та резервні. У GPS їх завжди не менше ніж 24.
• Наземні станції — моніторять роботу супутників, стежать за тим, щоб синхронізація з ними була постійною, та корегують траєкторію їхнього руху.
• Приймачі — знаходяться всередині об'єктів, що підтримують GPS, наприклад, телефонів чи розумних годинників. Приймають сигнали від супутників та використовують їх, щоб визначити власні координати.

Чим більше супутників бачить приймач, тим точніше він може визначити своє місцеперебування.

Розглянемо, як системи GPS визначають, де знаходиться об’єкт, на прикладі мобільного телефона:

1. Подається сигнал — телефон, оснащений GPS-приймачем, отримує сигнали від мінімум чотирьох супутників. Кожен передає своє точне розташування та час, коли сигнал був надісланий.

2. Вимірюється відстань — телефон враховує час затримки та швидкість світла й обчислює точну відстань до кожного супутника. 

Відстань = Швидкість світла (300 000 км/с) х Час, за який сигнал дійшов до телефона

3. Використовується метод тріангуляції — на підставі отриманих даних, телефон визначає своє місцеперебування, а саме — широту, довготу та висоту.

4. Дані корегуються — окрім супутників, телефон може використовувати інші джерела інформації, наприклад, стільникові вежі або Wi-fi мережі. Це допомагає йому визначати точніші координати, коли GPS-сигнал недостатній.

Отже, GNSS — це сукупність усіх глобальних навігаційних систем, а GPS — одна з них, розроблена в США. Порівняймо їх:

• Частоти сигналів — кожна система GNSS використовує свої частотні діапазони, проте більшість сучасних приймачів можуть отримувати інформацію одночасно на різних частотах;
• Ціна — мультисистемні приймачі GNSS можуть коштувати більше за приймачі GPS;
• Доступність — GPS має глобальне покриття, але в деяких регіонах воно може бути менш точним, ніж у GNSS;
• Точність — GPS забезпечує точність до кількох метрів, GNSS дозволяє отримати точніші координати.

Чи можливо збільшити точність від метрів до кількох сантиметрів? Так, якщо використовувати RTK.

RTK (Real Time Kinematic) — диференціальний метод глобальної навігаційної супутникової системи, що забезпечує позиційну точність до 2,5 см.

Як працює RTK-сигнал у сільському господарстві:

1. GNSS-приймач автопілота визначає орієнтовне місцеперебування сільськогосподарської техніки та відправляє запит у центр управління RTK по каналу мобільного інтернету.
2. Центр управління обробляє запит та враховує дані з найближчих базових станцій, щоб сформувати поправку. 
3. GNSS-приймач отримує інформацію в реальному часі  та оновлює координати з точністю до 2,5 см.

У точному землеробстві RTK використовується, щоб:

• Автоматично керувати сільгосптехнікою — завдяки RTK та автопілоту техніка може їхати точно заданим курсом, навіть вночі чи в тумані. Це зменшує час простою та економить паливо.
• Вносити добрива вчасно та в точній кількості — є можливість керувати кожною окремою ділянкою поля, відключати та включати оприскувачі.
• Засівати поля зі змінною нормою — це допомагає уникнути перекриттів, підвищити швидкість роботи та збільшити врожайність.

Щоб підключитися до мережі точного сигналу RTK, на техніку потрібно встановити систему автоматичного управління, розблоковану до рівня RTK, GPS/GNSS приймач, дисплей та GSM-модем з доступом в інтернет.

Окрім сільського господарства, глобальні навігаційні системи потрібні також у:

• Геодезії та картографії — професійні геодезичні системи, наприклад, Trimble, використовують RTK-сигнал, щоб виміряти та картографувати земельні ділянки з точністю до 2,5 см. Як відбувається точне позиціювання в геодезії можна дізнатися в статті;

• Системах управління автопарком — Fleet Management Systems відстежують рух автомобілів у реальному часі, оптимізують маршрут і витрати на паливо.
• Авіації та судноплавстві — GNSS допомагає визначити місцеперебування судна, скорегувати маршрут та уникнути небезпек. Так навігаційна система ECDIS синхронізує радіолокаційну інформацію, дані з метеостанцій та дані, що стосуються пересування льодовиків.
• Рятувальних службах — в Європі діє система екстреної допомоги eCall, що автоматично визначає координати транспортного засобу при ДТП та передає їх рятувальникам.

Читайте також:

• Стан українського агроринку: проблеми, тенденції і перспективи
• Ілля Польшаков, Київстар: Як хмари, Big Data та RTK допомагають перебудовувати бізнес в умовах війни
• Технології RTK в боротьбі з глобальним потеплінням
• Де вигідно використовувати RTK-технологію: від точного землеробства до логістики

та інші статті на Kyivstar Business Hub.