Глобальні системи для міліметрової точності

Використання цифрових технологій стало невід’ємною складовою сучасного побуту. Машини, оснащені інтелектуальними приладами і системами все більше спрощують виробничі процеси. Подібно до того, як нещодавно цифрові фотоапарати замінили в ужитку плівкові, так новітня техніка починає витісняти застарілу із будівельних майданчиків. 

Серед найбільш поширених і ефективних технологій – позиціонування машин та робочих механізмів за допомогою глобальних навігаційних супутникових систем (ГНСС).

У повсякденне життя супутникові засоби визначення координат прийшли з військового ужитку.

Історія та сьогодення

Першою з’явилась Глобальна система позиціонування (Navigation Satellite Time and Ranging, Global Position System, або Navstar GPS).

Її розроблено на замовлення Міністерства оборони США. Система може визначати місце розташування та швидкість об’єктів будь-де на Землі та в космічному просторі до 100 тисяч кілометрів від поверхні. Точність майже не залежить від погоди.

Ідея GPS виникла у США понад 60 років тому. Після запуску СРСР першого супутника група вчених на чолі з Річардом Кешнером запропонувала використати ефект Доплера – зростання частоти радіосигналу при наближенні та зменшення – при віддаленні супутника від спостерігача. Науковці дійшли висновку, що точно знаючи свої координати на Землі, можна визначити координати супутника, і навпаки – враховуючи місцезнаходження супутника, визначати власне.

Реалізували ідею через два десятиліття. У 1974 році запущено перший тестовий супутник, а чотири роки потому – перший апарат військового угруповання. 6 січня 1980 року, коли кількість таких супутників досягла 6, розпочалася експлуатація GPS. У повному масштабі система запрацювала аж через 14 років, коли кількість супутників зросла до 24. За дозволом президента США доступ до системи дозволили також цивільним. Однак, для військових вона давала точні дані, а решті – із запрограмованою похибкою. Деякий час потому стало відомо, що деякі компанії розшифрували алгоритм похибки і виправляли для себе дані. З 2000 року GPS видає однаково точні відомості для всіх користувачів.

Радянська ГЛОНАСС (Глобальна навігаційна супутникова система) створена на замовлення Міністерства Оборони СРСР. Її розроблення було розпочато у 1976 році. Основою ГЛОНАСС також є 24 супутники, які обертаються у трьох орбітальних площинах – по 8 у кожній.

Координати та інші показники об’єктів визначаються тим же способом, що і в GPS. Супутники цієї системи передають сигнали двох типів: навігаційний сигнал СТ-діапазону (1,6 ГГц) та високоточні навігаційні сигнали ВТ-діапазонів (1,2 ГГц). Середня висота орбіти становить 19,4 тис км, нахил 64,8°, період обертання 11 годин 15 хвилин. Параметри орбіти дозволяють краще, ніж GPS приймати сигнали ГЛОНАСС у високих (приполярних) широтах. Для точного визначення координат приймач повинен тримати зв’язок із чотирма супутниками. Повне навігаційне повідомлення відкритого типу містить 7500 біт і потребує на передачу 150 секунд. На сьогодні захищений сигнал підвищеної точності призначений для військових Російської Федерації. Наразі точність визначення координат для цивільних потреб у ГЛОНАСС дещо гірша, ніж у GPS.

Одночасне використання обох навігаційних систем дає істотно більшу точність, наприклад на території Європи – 1,5-3 м.

Європейська супутникова система Galileo існує як альтернатива, а одночасно – і доповнення до американської та російської. Це цивільна система. Вона є частиною транспортного проєкту “Трансєвропейські мережі” (Trans-European Networks). У проєкті бере участь також Україна, Китай, Ізраїль, Південна Корея та деякі інші країни. Заплановано створити угруповання з 30 апаратів, що обертаються у трьох площинах (по 10 супутників: 8 діючих та 2 резервних). Висота кругової геоцентричної орбіти – 23222 км.

10 грудня 2011 року Galileo передала перший тестовий сигнал, а у грудні 2015 офіційно введена в експлуатацію. Система поки розвивається. Очікується, що точність позиціонування наземних об’єктів із використанням європейського застосунку EGNOS становитиме 1 м, а у спеціальних режимах – 10 см. Покриття сигналом навіть в умовах щільної забудови становитиме 95%.

Китай з 2000 року також створює власну супутникову систему навігації. Спочатку вона налічувала 5 апаратів і називалася Бейдоу. З розширенням назва змінилася на Compass. Для загального користування передаватиметься сигнал, який забезпечить  точність визначення координат 10 м, швидкості – 0,2 м/с, часу – 50 нс. Для обмеженого кола користувачів точність буде вище.

Слід зазначити, що при визначенні власних координат та положення виконавчих механізмів будівельна техніка спирається, як правило, не лише на дані прямого зв’язку із супутниками, а і на поправки від наземної базової (референтної) станції. Одночасне використання кількох систем та базових станцій багатократно підвищує точність вимірювань. Сучасні електронні системи до міліметрів зменшують можливі похибки у розташуванні, нахилі робочих механізмів екскаваторів, бульдозерів, грейдерів, дорожніх фрез, котків, асфальто- та бетоноукладачів.

За даними аналітичної компанії McKinsey зараз лише 6% будівельних компаній світу повністю автоматизували (оцифрували) свої виробничі процеси. Майже усі решта з опитаних також у певній мірі використовують цифрові технології. Очікується, що надалі ступінь автоматизації виробничих процесів швидко зростатиме. Адже застосування інтелектуальних механізмів та цифрових моделей сприяє підвищенню якості робіт, скороченню непродуктивних витрат, а відтак – збільшенню прибутків.

Це цікаво

Відомо ще кілька радіонавігаційних систем. Вони вузько спеціалізовані або обмежені певними територіями. Тому для будівельної техніки в Україні застосування не мають.

• Цикада – російська морська навігаційна система. Її приймальна апаратура “Шхуна” дозволяє визначити положення судна з точністю 50-100 м.
• Циклон – перша супутникова навігаційна система СРСР. Використовується у військових цілях.
• IRNSS (Indian Regional Navigation Satellite System) – забезпечує покриття лише на території Індії та частини розташованих поруч країн.
• Альфа (або РСДН-20) – радянська система дальньої навігації. Працює в діапазоні дуже низьких частот – 11905 кГц, 12649 кГц, 14881 кГц.
• LORAN – радіонавігаційна система наземного базування. Використовувалась військовими суднами Великобританії та США під час Другої світової війни.
• “Чайка” – аналог LORAN-C. Розроблений у 1958 р. на замовлення радянських ВПС.
• Decca – система, що працювала у діапазоні середніх та довгих радіохвиль. Також використовувалась моряками після Другої світової війни.
• Consol – радіонавігаційна система для орієнтації на морі та в повітрі (радіомаяки, що обертаються).