Глобальные системы для милиметровой точности

Использование цифровых технологий стало неотъемлемой составляющей современного быта. Машины, оснащенные интеллектуальными приборами и системами все больше упрощают производственные процессы. Подобно тому, как недавно цифровые фотоаппараты заменили в обиходе пленочные, так новейшая техника начинает вытеснять старую из строительных площадок.

Среди наиболее распространенных и эффективных технологий — позиционирование машин и рабочих механизмов с помощью глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС).

В повседневной жизни спутниковые средства определения координат пришли из военного обихода.

История и современность

Первой пояивлась Глобальная система позиционирования (Navigation Satellite Time and Ranging, Global Position System, или Navstar GPS).

Она была разработана по заказу Министерства обороны США. Система может определять местоположение и скорость объектов в любом месте Земли и в космическом пространстве до 100 000 километров от поверхности. Точность почти не зависит от погоды.

Идея GPS возникла в США более 60 лет назад. После запуска СССР первого спутника группа ученых во главе с Ричардом Кешнером предложила использовать эффект Доплера — рост частоты радиосигнала при приближении и уменьшение — при удалении спутника от наблюдателя. Ученые пришли к выводу, что точно зная свои координаты на Земле, можно определить координаты спутника, и наоборот — учитывая местонахождение спутника, определять собственное.

Реализовали идею два десятилетия. В 1974 году запущен первый тестовый спутник, а четыре года спустя — первый аппарат военной группировки. 6 января 1980, когда количество таких спутников достигла 6, началась эксплуатация GPS. В полную силу система заработала только через 14 лет, когда количество спутников возросло до 24. По разрешению президента США доступ к системе позволили также гражданским. Однако, для военных она давала точные данные, а остальным — с запрограммированной погрешностью. Некоторое время спустя стало известно, что некоторые компании расшифровали алгоритм погрешности и исправляли для себя данные. С 2000 года GPS выдает одинаково точные сведения для всех пользователей.

Советская ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система) создана по заказу Министерства Обороны СССР. Ее разработка была начата в 1976 году. Основой ГЛОНАСС также являются 24 спутника, которые вращаются в трех орбитальных плоскостях — по 8 в каждой.

Координаты и другие показатели объектов определяются тем же способом, что и в GPS. Спутники этой системы передают сигналы двух типов: навигационный сигнал СТ-диапазона (1,6 ГГц) и высокоточные навигационные сигналы ВТ-диапазонов (1,2 ГГц). Средняя высота орбиты составляет 19,4 тыс км, наклонение 64,8 °, период обращения 11часов 15 минут. Параметры орбиты позволяют лучше, чем GPS принимать сигналы ГЛОНАСС в высоких (приполярных) широтах. Для точного определения координат приемник должен поддерживать связь с четырьмя спутниками. Полное навигационное сообщение открытого типа содержит 7500 бит и требует на передачу 150 секунд. На сегодня защищен сигнал повышенной точности предназначен для военных Российской Федерации. Сейчас точность определения координат для гражданских потребностей в ГЛОНАСС несколько хуже, чем у GPS.

Одновременное использование обоих навигационных систем дает существенно большую точность, например на территории Европы — 1,5-3 м.

Европейская спутниковая система Galileo существует как альтернатива, а одновременно — и дополнения к американской и российской. Это гражданская система. Она является частью транспортного проекта «Трансевропейские сети» (Trans-European Networks). В проекте участвует также Украина, Китай, Израиль, Южная Корея и некоторые другие страны. Планируется создать группу из 30 аппаратов, вращающихся в трех плоскостях (по 10 спутников 8 действующих и 2 резервных). Высота круговой геоцентрической орбиты — 23222 км.

10 декабря 2011 Galileo передала первый тестовый сигнал, а в декабре 2015 официально введена в эксплуатацию. Система пока развивается. Ожидается, что точность позиционирования наземных объектов с использованием европейского приложения EGNOS составит 1 м, а в специальных режимах — 10 см. Покрытие сигналом даже в условиях плотной застройки составит 95%.

Китай с 2000 года также создает собственную спутниковую систему навигации. Сначала она насчитывала 5 аппаратов и называлась Бэйдоу. С расширением название изменилось на Compass. Для общего пользования будет передаваться сигнал, который обеспечит точность определения координат 10 м, скорости — 0,2 м/с, времени — 50 нс. Для ограниченного круга пользователей точность будет выше.

Следует отметить, что при определении собственных координат и положения исполнительных механизмов строительная техника опирается, как правило, не только на данные прямой связи со спутниками, а и на поправки от наземной базовой (референтной) станции. Одновременное использование нескольких систем и базовых станций многократно повышает точность измерений. Современные электронные системы до миллиметров уменьшают возможные погрешности в расположении, наклоне рабочих механизмов экскаваторов, бульдозеров, грейдеров, дорожных фрез, катков, асфальто- и бетоноукладчиков.

По данным аналитической компании McKinsey сейчас только 6% строительных компаний мира полностью автоматизировали (оцифровали) свои производственные процессы. Почти все остальные из опрошенных также в определенной степени используют цифровые технологии. Ожидается, что в дальнейшем степень автоматизации производственных процессов быстро расти. Ведь применение интеллектуальных механизмов и цифровых моделей способствует повышению качества работ, сокращению непроизводительных расходов, а следовательно — увеличению прибыли.

Это интересно

Известно еще несколько радионавигационных систем. Они узко специализированные или ограничены определенными территориями. Поэтому для строительной техники в Украине применения не имеют.

• Цикада — российская морская навигационная система. Ее приемная аппаратура «Шхуна» позволяет определить положение судна с точностью 50-100 м.
• Циклон — первая спутниковая навигационная система СССР. Использовалась в военных целях.
• IRNSS (Indian Regional Navigation Satellite System) — обеспечивает покрытие только на территории Индии и части расположенных рядом стран.
• Альфа (или РСДН-20) — советская система дальней навигации. Работала в диапазоне очень низких частот — 11905 кГц, 12649 кГц, 14881 кГц.
• LORAN — радионавигационная система наземного базирования. Использовалась военными судами Великобритании и США во время Второй мировой войны.
• «Чайка» — аналог LORAN-C. Разработанный в 1958 по заказу советских ВВС.
• Decca — система, которая работала в диапазоне средних и длинных радиоволн. Также использовалась моряками после Второй мировой войны.
• Consol — радионавигационная система для ориентации на море и в воздухе (радиомаяки, вращающиеся).