EN
Городские каньоны, глубокие ущелья и плотные коридорные среды относятся к наиболее сложным условиям эксплуатации для любого приемник ГНСС . Высокие здания и отвесные скальные стены блокируют прямые спутниковые сигналы, вызывают сильные многолучевые помехи и приводят к быстрому затуханию сигнала, что может снизить точность определения местоположения до недопустимого уровня. Выбор подходящего приёмника ГНСС для таких условий означает понимание того, какие технические характеристики напрямую влияют на его производительность при ограниченном обзоре неба и плохой геометрии сигналов.
А приемник ГНСС который обеспечивает высокую производительность на открытой местности, может полностью выйти из строя в условиях каньона. Технические характеристики, имеющие значение при работе под открытым небом, не всегда совпадают с теми, которые определяют надёжность работы в ограниченных по пространству условиях. В этой статье объясняются ключевые технические характеристики GNSS-приёмников, определяющие, насколько хорошо устройство сохраняет фиксацию положения, фильтрует ошибки, вызванные многолучевым распространением сигнала, и поддерживает точность при ограниченной видимости спутников из-за окружающего рельефа или застройки.
Следование за сигналом и чувствительность
Чувствительность приёмника и пороги захвата сигнала
Одной из наиболее важных характеристик GNSS-приемника, используемого в условиях урбанистических каньонов, является чувствительность отслеживания, обычно выражаемая в дБм. GNSS-приемник с чувствительностью отслеживания −165 дБм или выше способен удерживать связь со спутниками, которые были бы невидимы для стандартного GNSS-приемника потребительского класса. В каньонах сигналы приходят под очень низкими углами места, проходят через более толстый слой атмосферы и часто ослабляются за счет отражения от поверхностей. Высокочувствительный GNSS-приемник способен принимать такие слабые сигналы и обеспечивать работоспособное решение по определению местоположения даже тогда, когда над горизонтом видно лишь несколько спутников.
Чувствительность при захвате сигнала также имеет важное значение, поскольку приемник ГНСС должен часто повторно захватывать спутники после кратковременных перерывов в сигнале, вызванных краями зданий, навесами или скалистыми уступами. Приемник ГНСС с высокой скоростью повторного захвата сигнала сокращает время до первого определения координат после перерывов в сигнале, что особенно важно для динамических применений, таких как навигация транспортных средств, геодезические измерения и автономные системы, работающие в ограниченных коридорах.
Поддержка нескольких спутниковых систем и нескольких частот
Приемник ГНСС, поддерживающий несколько спутниковых группировок, включая GPS, ГЛОНАСС, Galileo и BeiDou, имеет доступ к значительно большему количеству спутников в любой момент времени. В каньоне видимое небо зачастую сужается до узкой полосы непосредственно над головой. Приемник ГНСС, работающий с одной группировкой, может «видеть» лишь два-три спутника в этом окне, тогда как многогруппировочный приемник ГНСС способен отслеживать восемь и более спутников. Большее количество спутников означает улучшение значений геометрического фактора точности (DOP) и повышение стабильности определения координат. Поддержка нескольких частот, в частности L1 и L5, позволяет приемнику ГНСС более точно корректировать ошибки, вызванные задержкой сигнала в ионосфере, что напрямую повышает точность определения местоположения в сложных условиях распространения сигналов.
Подавление многолучевости и возможности обработки сигналов
Алгоритмы обнаружения многолучевости
Многолучевость является основным источником ошибок определения местоположения в условиях каньонов. Сигнал, отражающийся от фасада здания или стены каньона перед тем, как достичь GNSS-приемника, приходит несколько позже прямого сигнала, что приводит к ложному измерению дальности. GNSS-приемник, оснащенный передовыми алгоритмами подавления многолучевости, способен обнаруживать отраженные сигналы и либо отклонять их, либо снижать их вес, сохраняя точность решения по определению местоположения. Качество таких алгоритмов значительно различается между моделями GNSS-приемников, и именно этот параметр является одним из наиболее важных при выборе GNSS-приемника для эксплуатации в городских условиях или в каньонах.
В некоторых конструкциях GNSS-приемников для снижения чувствительности к многолучевости используется узкое расстояние между корреляторами в контуре слежения за сигналом. Другие применяют сглаживание псевдодальности по фазе несущей для подавления кратковременного шума многолучевости. GNSS-приемник, объединяющий несколько методов борьбы с многолучевостью, обеспечивает лучшую общую производительность по сравнению с приемником, использующим только один подход. При оценке GNSS-приемника для использования в условиях городского каньона настоятельно рекомендуется запросить подробные данные о его характеристиках при борьбе с многолучевостью, полученные в контролируемых испытательных условиях.
Мониторинг отношения мощности несущей к спектральной плотности шума
Способный GNSS-приемник непрерывно отслеживает отношение мощности несущей к спектральной плотности шума (обычно обозначаемое как C/N0) для каждого принимаемого сигнала спутника. В условиях городского каньона резкое падение значения C/N0 часто означает, что прямой сигнал был заменен отраженным. GNSS-приемник, использующий пороговые значения C/N0 в качестве критерия качества для индивидуальных измерений по каждому спутнику, может исключать искаженные сигналы до того, как они повлияют на вычисление координат. Такой мониторинг качества сигнала в реальном времени является характеристикой, отличающей профессиональные GNSS-приемники от более простых модулей позиционирования, не предназначенных для работы в сложных условиях местности.
Дополнительные технологии, повышающие эффективность работы в городских каньонах
Интеграция блока инерциальной измерительной системы
GNSS-приемник, в котором интегрирован тесно связанный инерциальный измерительный блок (IMU), способен поддерживать вывод данных о положении и скорости в периоды, когда спутниковое покрытие недостаточно для автономного GNSS-решения. В ущелье доступность спутников может снизиться ниже минимального уровня, необходимого GNSS-приемнику для вычисления координат. GNSS-приемник с интегрированными инерциальными датчиками преодолевает такие разрывы, экстраполируя последнее известное положение с использованием данных акселерометра и гироскопа. Архитектура с тесной связью обеспечивает совместное использование сырых спутниковых измерений и инерциального вычислительного модуля, что позволяет GNSS-приемнику продолжать использовать любые доступные спутниковые сигналы даже при наличии менее четырех видимых спутников.
Качество ИМУ, встроенного в GNSS-приемник, имеет существенное значение. GNSS-приемник, объединенный с ИМУ тактического класса, будет демонстрировать значительно меньший дрейф положения во время потери спутникового сигнала по сравнению с приемником, использующим потребительский MEMS-датчик. Для приложений, требующих непрерывной и надежной работы в течение длительных участков каньонов, оценка GNSS-приемника и его инерциальной подсистемы как единого комплексного устройства является обязательной.
Кинематическая коррекция в реальном времени и сервисы коррекции
GNSS-приемник, поддерживающий кинематическую обработку в реальном времени (RTK), может обеспечить точность на уровне сантиметров за счет использования коррекционных данных, передаваемых с известной опорной станции или через службу сетевой коррекции. В каньоноподобных условиях, где многолучевое распространение неизбежно, GNSS-приемники с поддержкой RTK используют измерения фазы несущей, которые значительно менее подвержены влиянию многолучевого распространения по сравнению с псевдодальностными измерениями на больших расстояниях. При сочетании с надежными методами подавления многолучевого распространения GNSS-приемник с поддержкой RTK способен обеспечивать стабильный высокоточный выходной сигнал в городских коридорах, где обычный GNSS-приемник, полагающийся исключительно на позиционирование по псевдодальности, не сможет функционировать.
Часто задаваемые вопросы
Какое минимальное количество навигационных систем должно поддерживать GNSS-приемник, предназначенный для работы в каньоноподобных условиях?
Приемник ГНСС, предназначенный для использования в каньонах, должен поддерживать как минимум три спутниковых группировки, а четыре — предпочтительно. Большее количество группировок обеспечивает приемнику ГНСС доступ к большему числу спутников при ограниченном обзоре неба, улучшая геометрию и снижая риск падения количества видимых спутников ниже минимального значения, необходимого для получения надежного определения местоположения.
Влияет ли качество антенны на производительность приемника ГНСС в каньонах?
Да, качество антенны оказывает существенное влияние. Антенна с высоким коэффициентом усиления и низким уровнем шума повышает эффективную чувствительность приемника ГНСС и помогает подавлять многолучевые сигналы, поступающие под малыми углами места. Выбор антенны, совместимой с рабочими частотами приемника ГНСС, столь же важен, как и технические характеристики самого приемника.
Как RTK повышает точность приемника ГНСС в условиях городских каньонов?
Технология RTK позволяет GNSS-приемнику использовать измерения фазы несущей, которые по своей природе более точны и менее подвержены искажениям, вызванным многолучевостью, чем кодовые псевдодальностные измерения. При корректном разрешении целочисленных неоднозначностей GNSS-приемник достигает сантиметровой точности, которая сохраняется даже при частичном экранировании или отражении некоторых спутниковых сигналов близлежащими конструкциями.