Что такое GNSS (глобальная навигационная спутниковая система)? Значение, работа и применение.

GNSS — это группа орбитальных спутников, которые передают данные о местоположении, навигации и времени на устройства IoT.

Глобальная навигационная спутниковая система (ГНСС) — это группа спутников, стратегически расположенных для генерации и передачи данных о местоположении, синхронизации и навигации из космоса на подключенные датчики на Земле, которые обычно встроены в устройства Интернета вещей (IoT). В этой статье объясняется, как работает GNSS, и обсуждаются ее основные приложения в 2022 году.

Что такое GNSS (глобальная навигационная спутниковая система)?

Глобальная навигационная спутниковая система (GNSS) определяется как группа спутников, стратегически расположенных для генерации и передачи данных о местоположении, синхронизации и навигации из космоса на подключенные датчики на Земле, которые обычно встроены в устройства Интернета вещей (IoT).

Разбивка операций GNSS

С каждым днем ​​наша жизнь становится все лучше благодаря развитию технологий. В нашем распоряжении так много технологий, которые объединяют все части нашей жизни, от ваших фитнес-трекеров и направляющего голоса Siri до автоматических кофемашин, умных домов и умных автомобилей. Мир приближается к идеальной среде, где все взаимосвязано, а жизнь становится доступнее. Одним из основных факторов, способствующих этому изменению, является GNSS.

GNSS или глобальная навигационная спутниковая система — это тип спутниковой системы с широким глобальным покрытием. Он использует спутники для обеспечения независимого геопространственного позиционирования. Это позволяет обычным электронным устройствам определять свое местоположение, позиционирование и навигацию с помощью датчиков, которые принимают радиосигналы со спутников.

Система GNSS также позволяет синхронизировать в реальном времени события, конечные устройства и т. д. Она охватывает широкий спектр спутникового слежения и все его приложения. Каждая система GNSS состоит из группы спутников, которые передают высокочастотные сигналы из космоса на приемники по всему миру. Глобальная навигационная спутниковая система используется для позиционирования, навигации и синхронизации (PNT).

В настоящее время в мире работает около четырех полнофункциональных систем GNSS. Популярная система глобального позиционирования США (NAVSTAR) была первой в своем роде, за ней последовали группировки спутников из других стран. Есть китайская навигационная спутниковая система BeiDou, российская Глобальная навигационная система (ГЛОНАСС) и Galileo Европейского Союза. Другие региональные системы дополнений включают спутниковую систему Quasi-Zenith, принадлежащую Японии.

GPS против GNSS

Когда речь заходит о глобальных навигационных спутниковых системах, первое, что приходит на ум, это GPS. Поэтому важно исправить распространенное заблуждение, что GPS — это то же самое, что и GNSS. GPS или глобальная система позиционирования — это тип GNSS, принадлежащий США и иначе называемый NAVSTAR.

GNSS — это термин, который охватывает все формы глобальной спутниковой системы позиционирования, классическим примером которой является GPS. Таким образом, GPS является разновидностью системы GNSS. Это первая система GNSS, которая была изобретена министерством обороны США для использования в качестве независимой военной навигационной системы. Спустя годы система навигации и позиционирования была выпущена для общего пользования.

GPS — это самая точная система позиционирования, доступная сегодняшним пользователям. Однако оборудование, совместимое с GNSS, т. е. все оборудование, использующее позиционирование, навигацию и синхронизацию, может использовать сигналы от спутников в родственных сетях GNSS, но вне GPS, и по-прежнему получать аналогичную информацию.

По сути, GPS не является синонимом GNSS. Он подпадает под примеры систем GNSS и может быть классифицирован вместе с другими типами GNSS.

Классификация GNSS

Системы GNSS, используемые в гражданской навигации, включают GNSS 1 и GNSS 2. GNSS 1 — это глобальная спутниковая система первого поколения, которая объединяет существующие спутниковые навигационные системы с другими системами дополнений (такими как спутниковая система дополнений или SBAS). Примеры включают GPS, дополненный глобальной системой увеличения площади (WAAS) в США.

GNSS 2 — спутниковая система второго поколения. Они обеспечивают точность и целостность, используемые для мониторинга гражданского судоходства. Примеры включают Galileo, ГЛОНАСС и т. д. Говоря о производительности различных систем GNSS, используются четыре критерия, а именно:

• Точность: измеряет, насколько реально фактическое положение, скорость или время по сравнению с данными, измеренными GNSS.
• Целостность: это описывает способность системы давать порог достоверности данных, которые она предоставляет, а также поднимать тревогу при регистрации аномальной информации.
• Непрерывность: это способность GNSS предоставлять непрерывную информацию без сбоев.
• Доступность: доступность системы GNSS измеряется в процентах. Он показывает, как часто сигналы от этой системы соответствуют трем другим критериям, упомянутым выше.

Как упоминалось ранее, добавление региональных систем расширения может улучшить качество выходных данных, выдаваемых этими глобальными навигационными спутниками.

Как работает GNSS?

Понять, как спутники, вращающиеся вокруг Земли, могут сообщить человеку, где он находится, и проложить маршрут до ближайшего продуктового магазина, может быть ошеломляюще. Тем не менее, мы можем знать основные принципы, которыми руководствуются системы GNSS, и то, как они работают. Каждая GNSS состоит из трех основных компонентов:

1. Спутники или космический сегмент

Это относится к фактическим спутникам, вращающимся вокруг Земли. Группировка спутников GPS расположена в шести плоскостях, расположенных на равном расстоянии друг от друга. Каждый самолет имеет как минимум четыре спутника, и такое расположение гарантирует, что по крайней мере четыре спутника всегда доступны для каждого приемника, будь то телефон, наручные часы, смарт-автомобиль и т. д.

Таким образом, объединяя сигналы четырех спутников из 31 в навигационной системе GPS, локальный приемник может расшифровать местоположение и время относительно местоположения спутников, когда пользователи принимают трансляцию.

Хотя спутники могут иметь разную конструкцию, все они основаны на одних и тех же основных принципах. На каждом спутнике есть одни или несколько высокоточных часов, атомных часов, в которых используются рубидиевые или цезиевые генераторы. В каждый момент времени спутник передает две несущие волны, L1 и L2, со скоростью света обратно на Землю с основной частотой 10,23 МГц. Эти волны передают информацию со спутника на Землю, а затем эту информацию используют приемники.

2. Сегменты управления

Для каждой системы GNSS есть построенные станции, расположенные вокруг экватора, для управления, мониторинга, отслеживания и связи со спутниками. Это гарантирует, что спутниковые часы синхронизируются и контролируются для обслуживания, как и любая ИТ-инфраструктура. Информация об орбите спутника также передается обратно на спутники и наземный приемник с использованием несущей волны L1.

3. Пользовательский сегмент

Это относится ко всему, что имеет приемник, например к мобильным телефонам, автомобилям, правоохранительным системам, самолетам и т. д. Как приемники интерпретируют сигналы и определяют наше местоположение? Это делается с помощью процесса, известного как трилатерация, который позиционирует объект с трех расстояний. Приемник GNSS состоит из двух элементов: процессора и антенны. Антенна улавливает сигнал, а процессор декодирует необходимую информацию. Некоторые приемники могут иметь две антенны, основную и дополнительную антенны.

Когда спутник вещает, он передает время, когда он посылает этот сигнал, закодированный в информации о сигнале. Затем приемник использует разницу во времени с момента передачи сигнала до момента его получения, учитывая временную задержку, вызванную окружающими слоями земли. Затем, используя скорость света, он измеряет расстояние, пройденное сигналами от трех разных спутников.

Приемник может определить свое местоположение с помощью исходной информации о местоположении спутника. Атомные часы, синхронизированные с GPS или четвертым спутником, необходимы для определения времени передачи сигнала. Другой спутник также предоставляет более одной комбинации из трех спутников, которые можно использовать для трилатерации.

Современные электронные устройства не отправляют сигналы обратно на спутники. Они могут только принимать сигналы из космоса и передавать их на другие устройства или станции мониторинга, так отслеживаются автомобили, грузовики и т. д.

Крайне важно понять основную концепцию систем GNSS, поскольку это поможет нам узнать, как эта глобальная навигационная система влияет на нашу повседневную жизнь. Действительно, GNSS доказала свою важность в настоящей и будущей городской среде, особенно для Интернета вещей (IoT) . По мере того, как технологии постепенно превращаются в интеллектуальные устройства и устройства, роль GNSS становится все более очевидной.

Какова важность GNSS в Интернете вещей?

Мир постепенно осваивает и работает над концепцией Интернета вещей, и это уже не сюжет научно-фантастических фильмов. Несколько отраслей внедряют самоощущающиеся, интеллектуальные и самокоммуникативные устройства. Тем не менее, еще так много предстоит открыть, и исследования и прототипы все еще продолжаются.

В настоящее время существуют миллиарды подключенных к Интернету устройств и миллионы в среде IoT. Интернет вещей неуклонно вторгается во все, и его приложения разнообразны: от смарт-автомобилей, систем утилизации отходов, транспортных услуг и т. д. Этот рост был бы совершенно невозможен без определения местоположения, которое стало возможным благодаря глобальным навигационным спутниковым системам.

GNSS обеспечивает отслеживание в реальном времени, синхронизацию, навигацию и другие области межмашинного взаимодействия, что является основой управления устройствами IoT. Действительно, по мере того, как приложения IoT продолжают расти, к спутниковой системе предъявляется все больше требований, и эти требования постепенно удовлетворяются, что дает возможность для новых открытий.

Важность GNSS в IoT заключается просто в способности устройств осознавать свое местоположение, местоположение других машин вокруг них и способность сопоставлять данные в полезную информацию. Например, способность автомобиля обнаруживать другие транспортные средства на своем пути и избегать столкновения или даже определять объезд впереди и выбирать более короткий маршрут. Потенциальные области применения безграничны. Однако, прежде чем мы рассмотрим применение GNSS в современном мире, следует отметить некоторые важные характеристики этих глобальных навигационных систем, которые делают их неотъемлемой частью IoT:

1. Определение местоположения объектов

Без возможности определения местоположения устройств GNSS вряд ли сможет обеспечить какую-либо функциональность Интернета вещей. Используя трилатерацию, устройство может подключаться к трем или более видимым спутникам, чтобы определять свое точное местоположение. Затем он может передать эту информацию на любое другое устройство или использовать ее для любых целей.

2. Расчет оптимальной скорости

Устройства, активированные GNSS, могут вести постоянную запись своей скорости, потому что системы GNSS постоянно передают спутниковые сигналы, когда они движутся по орбите вокруг Земли. Скорость можно вычислить, используя основное уравнение физики, скорость = расстояние/время от этой передачи. Эта характеристика GNSS позволяет картам сообщать вам, сколько времени потребуется, чтобы достичь желаемого пункта назначения.

3. Обеспечение точности производительности IoT

Какая польза от определения местоположения и навигации, если они сопровождаются грубой ошибкой в ​​расчетах времени? Фактически, без мощных атомных часов, используемых в системах GNSS, было бы невозможно получить точные измерения расстояния и позиционирования с помощью трилатерации. Часы, встроенные в спутники, обслуживаются и часто контролируются с управляющих станций. Станции обеспечивают точность хронометража и правильную работу устройств GNSS.

В связи с быстрорастущим рынком технологий GNSS во всех устройствах также возникают некоторые опасения по поводу практичности высокого энергопотребления. Устройства, подключенные к спутникам GNSS, получающие информацию, потребляют много энергии и могут быть непрактичными для повседневных устройств. Во-первых, это будет означать более короткий срок службы батареи и более высокую стоимость производства, не говоря уже о влиянии на окружающую среду. В настоящее время есть несколько предложенных решений этой проблемы энергоэффективности.

Один из подходов заключается в перенаправлении данных на внешнее устройство без ограничений по мощности меньшего устройства перед отправкой обработанной информации на устройство. Другой рассматриваемый метод — это метод моментальных снимков, при котором приемник активируется только тогда, когда это необходимо в течение короткого периода времени для определения геолокации.

Задача обеспечения геолокации для IoT, практичная с точки зрения стоимости, размера и энергопотребления, отличается от задачи смартфонов.

ИТ-компании пересматривают свою стратегию, поскольку современные GNSS-чипы для смартфонов не подходят для всех устройств IoT. Это связано с тем, что смартфоны обычно заряжаются ежедневно и, таким образом, обеспечивают достаточную мощность для приемников GNSS. Они имеют быстрые процессоры и постоянно активны. Смартфоны также имеют приемлемую стоимость в несколько сотен долларов, в то время как человек менее склонен покупать наручные часы или смарт-рюкзак за ту же сумму.

Поэтому несколько компаний ухватились за возможность предоставить GNSS с низким энергопотреблением, чтобы датчики и трекеры могли работать годы или десятилетия без их замены.

Топ 5 приложений GNSS в 2022 году

Несмотря на препятствия, GNSS уже во многом изменила нашу повседневную работу. ГНСС нашла несколько потенциальных применений, от отдельных лиц и семей до школ и предприятий. Некоторые из них включают:

1. Логистика и транспорт

GNSS обеспечивает доступ в режиме реального времени к местонахождению товаров для доставки. Когда товары заказываются, производитель, логистическая компания и покупатель могут отслеживать движение товаров, от отправки до момента их доставки.

Он также широко используется в транспортной отрасли, такой как железнодорожный, авиационный и морской транспорт. На железнодорожном транспорте можно отслеживать местоположение всех локомотивов и вагонов, наносить на карту положение других поездов и минимизировать аварии, задержки и т. д. Без GNSS пилоты будут теряться в воздухе. От вылета, в пути и навигации в невидимых атмосферных условиях до посадки системы GNSS управляют всей авиационной системой. То же самое относится и к морскому транспорту. Капитаны могут узнать свое точное местоположение и пеленг с помощью методов с поддержкой GNSS.

2. Отслеживание активов и безопасность

Все знают, что такое автомобильный GPS-трекер, и это одно из основных применений систем наблюдения GNSS. С помощью GNSS вы можете подтвердить местоположение вашего автомобиля в случае кражи и отследить его местоположение. Помимо автомобилей, потеря багажа в аэропорту часто является распространенной проблемой, и ее можно избежать с помощью устройств мониторинга.

3. Носимые устройства

В настоящее время существует несколько умных часов и мониторов здоровья, которые могут отслеживать движения человека. Они также предупреждают и вызывают на помощь во время кризисов со здоровьем или несчастных случаев, а затем позволяют определить местонахождение человека. Фитнес-трекеры также используют решения GNSS. Другие области применения GNSS включают мониторинг местоположения детей в парках, мониторинг осужденных, уход за пожилыми пациентами с дегенеративными заболеваниями и т. д.

4. Промышленность и сельское хозяйство

ГНСС также нашла применение в промышленности и сельском хозяйстве. Это варьируется от мониторинга прибывающих грузовиков до повышения эффективности сельскохозяйственной техники. Он распространяется на мониторинг почвы, отслеживание домашнего скота и управление лесным хозяйством.

5. Смартфоны и полуавтоматические автомобили

Наконец, GNSS нашел широкое применение в смартфонах и автомобилях. Это касается карт с поддержкой GPS для беспилотных автомобилей. В настоящее время GNSS наиболее широко используется в смартфонах. Вы можете легко добраться до лучших маршрутов с меньшим трафиком и узнать о ближайших отелях, закусочных и т. д. Беспилотные автомобили становятся все более распространенными, и все это сильно зависит от систем позиционирования.

Одно можно сказать наверняка: GNSS может многое предложить в области подключенных технологий . Будущее светлое и полное удивительных инноваций. Достаточно скоро у нас будет широко распространенная сеть интеллектуальных устройств, которые могут обнаруживать, находить, предвидеть и готовиться к конкретным ситуациям.

Заключение

GNSS является одной из основополагающих технологий, лежащих в основе Интернета вещей и почти каждой подключенной городской среды, которую мы используем сегодня. Он превратился из простых вариантов использования в оборонном и государственном секторах в гражданские приложения, особенно для реализации IoT.

По мере того, как организации переживают четвертую промышленную революцию, а умные города становятся нормой, а не исключением, GNSS станет основой почти для каждого устройства и системы. Его способность точно информировать о местоположении, навигации и времени сделает его важным инструментом для будущих предприятий.