Многие отрасли ожидают создания беспилотных автоматов, автомобилей и просто роботов, которые могут ориентироваться в пространстве и обеспечивать доставку грузов с высокой точностью. Впрочем, высокоточная навигация нужна не только для транспорта, но и при строительстве и обслуживании объектов, в складских помещениях и логистических центрах, внутри офисных зданий для решения задач обслуживания и ремонта. Однако без разработки технологии навигации, гарантирующей точность позиционирования до сантиметров и миллиметров, это невозможно. И такие технологии уже разрабатываются, в том числе в России.
Технологии
Основной технологией позиционирования на сегодняшний день является спутниковая – получение кодовых сигналов с различных спутников для вычисления местоположения приемника. Технология изначально разрабатывалась для военных нужд, однако уже достаточно давно открыта и для гражданского применения. Но поскольку навигационная информация может быть использована, в частности, для разведывательных нужд, точность гражданских решений нередко искусственно огрубляется, причем иногда на уровне программного обеспечения самих приемников. Тем не менее точность кодового метода позиционирования составляет от 5 до 15 м, а этого недостаточно для ориентации роботов в пространстве. Кроме того, спутниковая навигация хорошо работает там, где видно небо. На точность навигации могут повлиять горы, большие озера и различные источники сильных электромагнитных помех. Для повышения точности определения местоположения приходится использовать различные методы, например дифференциальную коррекцию положения по отношению к неподвижным объектам.
Следует отметить, что неподвижные приемники спутникового сигнала можно позиционировать достаточно точно даже с помощью кодового метода вычисления координат – за счет длительного накопления данных со спутника. Чем больше сигналов анализируется, тем точнее определяется местоположение неподвижных объектов. Для уточнения можно использовать различные системы – GPS, ГЛОНАСС, BeiDou и др. Их сигналы можно принимать на любой территории независимо от страны нахождения устройства. Эти неподвижные объекты в дальнейшем используются уже для вычисления положения мобильных приемников путем анализа разности фаз спутниковых сигналов. Базовая станция позволяет определить погрешность, которую вносит в распространение сигнала атмосфера Земли. Такой метод позиционирования позволяет определять положение не только по кодовым сигналам, но и по фазе сигнала. Для этого нужно получить корректирующую информацию от неподвижных источников через какой-нибудь канал коммуникаций. Метод называется фазовым – он требует наличия неподвижных источников корректирующих сигналов, которые используются для быстрого и высокоточного позиционирования подвижных объектов.
Фазовый метод позволяет добиться сантиметровой точности позиционирования, что вполне приемлемо для большинства роботов: дальнейшее уточнение позиции можно ввести с помощью машинного зрения. Понятно, что чем ближе к станции коррекции располагается приемник, тем точнее можно определить его местоположение с помощью фазового метода. Однако следует помнить, что точность определения высоты несколько ниже, чем наземных (плановых) координат, примерно в два раза.
Чтобы обеспечить высокоточное позиционирование в больших масштабах, например города, необходимо устанавливать достаточно много дополнительных станций, передающих корректирующие сигналы.
Радиус действия одной базовой станции составляет примерно 40 км – на большем удалении уже требуется ставить дополнительные источники корректирующего сигнала. Для обеспечения приемлемой сантиметровой точности позиционирования базовые станции можно располагать на расстоянии до 100 км. Существует технология формирования виртуальной базовой станции методом усреднения данных с нескольких соседних вышек. Такая технология позволяет создать единое пространство точности позиционирования, которое практически не зависит от реального местоположения корректирующих станций. Это необходимо для непрерывного определения координат быстродвижущихся объектов, чтобы исключить скачки показаний при переходе между базовыми станциями.
Для высокоточной навигации в помещениях применяются аналогичные технологии (привязка к неподвижным передающим станциям), но при этом можно уже не использовать исходный сигнал спутников, а отсчитывать расстояние от локальных базовых станций: их координаты должны быть известны с высокой точностью. Такие решения можно применять в том случае, когда на одной части объекта небо видно, а на другой – нет. Тогда достаточно установить специальные датчики, которые позволяют в радиусе 100 м добиваться сантиметровой точности, эмулируя при этом работу системы GPS. Впрочем, для локальной системы позиционирования можно еще увеличить точность позиционирования в зависимости от используемых частот и количества датчиков. Однако при этом возрастает стоимость решения, поскольку в нее включается стоимость и приемников, и установленных передатчиков. В результате решение со специализированными передатчиками корректирующего сигнала оказывается достаточно дорогим.
Для целей навигации можно использовать и стандартные базовые станции мобильной связи или Wi-Fi. Можно применять технологии RFID и аналогичные персональные радиотехнологии: комплексные системы позволяют выполнять сложные задачи, и сейчас многие стартапы стараются разработать решение, объединяющее как можно больше популярных методов позиционирования. Конечно, для них необходимо разрабатывать специализированное программное обеспечение, но аппаратные компоненты таких устройств стандартные. Со временем должна возникнуть единая система, объединяющая самые разнообразные методы и устройства, позволяющая позиционировать устройства непрерывно, независимо от расположения приемника. Дело за созданием аппаратных и программных решений.
Устройства
Стоимость навигационных систем в высокой степени зависит от стоимости аппаратной части приемника, которая, в свою очередь, обусловливается универсальностью аппаратных элементов. Чем больше устройств выпускается, тем дешевле они стоят. Сегодня кодовая навигация уже стала массовой – ее используют в мобильных устройствах, автомобильных навигаторах, трекерах и множестве других устройств. В результате стоимость устройства для кодовой навигации довольно низкая – несколько долларов.
Решения для высокоточной навигации пока не имеют широкого распространения, поскольку они привязаны к наземной инфраструктуре. Стоимость таких приемников на два порядка выше с дополнительной привязкой к одной частоте. Если же используется несколько частот для фазовой коррекции, то и стоимость возрастает до нескольких тысяч долларов. Однако и точность определения местоположения существенно увеличивается – до требуемых для автоматизированных устройств сантиметров и даже миллиметров, причем на значительных расстояниях от базовых станций.
Готовых комплексных решений с применением технологий высокоточного позиционирования пока нет. Предлагаются решения, которые могут определять местоположение при прерывании сигналов от спутника с помощью встроенного акселерометра. Данные объединяются и уточняют друг друга, чтобы определять координаты в случае недоступности спутниковой информации.
На рынке представлены решения для построения локальных систем позиционирования. В них базовые станции стоят дороже, но сами приемники сравнимы по цене со спутниковыми решениями высокой точности. То есть стоимость развертывания систем будет достаточно высокой, а эксплуатации – не будет отличаться от спутниковых, к тому же они полностью эмулируют работу спутниковых решений.
Следует отметить, что сегодня любой мобильный телефон определяет свои координаты по базовым станциям, в мобильном стандарте пятого поколения это будет неотъемлемой частью сотовой технологии. Объединение этого позиционирования со спутниковыми приемниками также позволит повысить точность позиционирования и использовать сотовые телефоны для точного определения координат. В телефоне встроены и акселерометры, что превращает такое устройство в платформу для комплексной системы позиционирования. Таким образом, на базе мобильных телефонов можно построить систему, которая будет работать вне зависимости от доступности спутниковой информации.
Применение
Изначально системы точного позиционирования использовались в военной сфере, потом перекочевали в гражданскую: устройства для межевания и учета земельных участков, управление машинами и механизмами. Наиболее интересным применением подобных технологий является точное земледелие, которое позволяет переходить к технологиям «умного» земледелия, когда автомат сам определяет, какие удобрения необходимо вносить на конкретном участке по заранее построенной карте поля с анализом его химического состава. Технологии автономных автомобилей обеспечивают точное выполнение маневров сельскохозяйственной техникой. Они объединяются с автоматизацией операций с удобрениями, растениями и почвой. В результате можно с высокой точностью определить, сколько зерен пшеницы с указанного участка упало в бункер, и тем самым выявить проблемные поля, которые требуется дополнительно обработать удобрениями или использовать какие-то иные методы повышения урожайности. С помощью беспилотных летательных аппаратов можно с воздуха определять степень созревания растений и убирать только те части поля, которые действительно готовы для этого. Результат консолидации всех этих технологий может оказаться поразительным. Функция человека должна быть сведена к обеспечению безопасности, контролю и принятию решений.
Технологии высокоточного позиционирования необходимы и для задач мониторинга, например критически важных объектов – ЛЭП, труб, ректификационных колонн и др. С помощью позиционирования можно вести деформационный мониторинг объектов. Основные причины проблем – деформация несущих конструкций, которую можно обнаружить специальными мониторинговыми устройствами. Например, электростанция Фукусима после землетрясения на метры уехала в сторону. Мониторинговые устройства на основе технологии GPS оперативно это обнаружили и обеспечили своевременное выключение реакторов. Такие системы очень важны в зонах вечной мерзлоты, которая может существенно меняться от климатических условий местности. А у нас довольно много трубопроводов и других протяженных объектов располагаются в зоне вечной мерзлоты, и за ними нужно ввести постоянный контроль.
Высокоточные системы позиционирования необходимы и на транспорте – при посадке самолетов, швартовке кораблей, управлении автомобильными потоками и т. д. Сейчас GPS используются как дублирующие системы, поскольку кодовая точность не позволяет совершить необходимые маневры, но при увеличении точности эти системы могут стать основными и автоматизировать, в частности, сложные маневры при посадке самолетов.
Есть еще одно важное применение спутниковой навигации – метеопрогноз. Дело в том, что сигналы корреляции зависят от состояния атмосферы, точнее, от количества водяного пара, что позволяет использовать корректирующие коэффициенты для определения влажности на разной высоте и для уточнения прогнозов погоды. По распространению сигналов ГЛОНАСС можно анализировать и состояние ионосферы.
Текущая ситуация
Российский рынок навигации находится на начальном этапе создания. Кодовые решения российского производства уже есть, а вот фазовые решения в основном иностранные. Оказывается, что в такой критической области, как высокоточная навигация, которая обеспечивает развитие наиболее перспективных технологий, мы полностью зависим от зарубежных решений.
Наша компания занимается разработкой решений для высокоточного позиционирования – базовых станций и программного обеспечения для получения и применения корректирующей информации. Пять лет назад многие удивлялись: зачем заниматься этим, когда есть хорошие иностранные решения? Санкции «объяснили» скептикам, зачем нужны аналогичные российские решения. Сейчас вся наземная инфраструктура работает на зарубежном ПО, которое стоило огромных денег, но в любой момент может перестать функционировать. На сегодняшний день российских фазовых приемников нет – есть лишь разработки одночастотных приемников, но они находятся на начальном этапе и на рынке не представлены. ПО для наземной инфраструктуры российского производства тоже нет – только прототипы.
В результате мы платим за использование иностранных решений и их дальнейшее развитие за рубежом. То есть технология GPS монетизируется достаточно хорошо, а ГЛОНАСС деньги только потребляет, поскольку решений на его основе продается не очень много, а поддерживать его нужно. Пока Россия не научилась монетизировать ГЛОНАСС, особенно в высокоточном сегменте. Сейчас, с увеличением потребности в высокоточном позиционировании, появляется хорошая возможность встроить ГЛОНАСС в перспективные автоматизированные технологии, а российским компаниям – зарабатывать с его помощью деньги.
Наша компания разработала решения для интеграции наземной инфраструктуры для высокоточного позиционирования, создав необходимое программное обеспечение. К нашему облачному решению сейчас подключено около 500 станций в 70 регионах России. Это самая большая наземная инфраструктура в России. Причем мы не разворачивали базовые станции, а обеспечили интеграцию уже развернутых станций в единую систему навигации, покрыв наиболее экономически активные территории базовыми станциями. Если будет помощь со стороны государства, ГЛОНАСС в высокоточном режиме сможет работать не только на территории России, но и по всему миру.
Правительство сейчас разрабатывает документы, стимулирующие создание российских навигационных решений. В частности, в программе «Цифровая экономика Российской Федерации», которая была утверждена 28 июля 2017 г., есть следующие пункты: к концу 2020 г. должны быть…
«…4.14.7. Создана единая геодезическая инфраструктура, необходимая для задания, уточнения и распространения государственных и местных систем координат (в том числе проведены научные исследования, обеспечивающие ее эффективное использование);
4.14.8. Создана федеральная сеть дифференциальных геодезических станций, обеспечивающих повышение точности определения координат, а также центр интеграции сетей дифференциальных геодезических станций и обработки получаемой информации».
Определены также требования к базовым станциям – они установлены приказом Минэкономразвития № 149 от 29 марта 2017 г. «Об установлении требований к программным и техническим средствам, используемым при создании сетей дифференциальных геодезических станций»: «…7. Программные средства, используемые при создании сети дифференциальных геодезических станций, должны соответствовать требованиям Правил формирования и ведения единого реестра российских программ для электронных вычислительных машин и баз данных, утвержденных постановлением Правительства Российской Федерации от 16 ноября 2015 г. № 1236 (Собрание законодательства Российской Федерации, 2015, № 47, ст. 6600)». То есть программное обеспечение наземных станций должно быть в реестре российского ПО, следовательно, пройти соответствующую процедуру проверки.
Заключение
Высокоточные технологии будут развиваться, но пока не понятно, приведут ли они к появлению высокотехнологичного бизнеса на их основе. Зарубежный рынок, не покрытый американскими и европейскими решениями, огромен. Например, Латинская Америка и Африка, откуда к нам начинают обращаться клиенты. Наша технология облачная – не имеет значения, где располагается базовая станция: получили поток данных, обработали и отдали обратно корректирующую информацию. На базе ГЛОНАСС мы планируем нанизать огромное количество дополнительных сервисов, в том числе перевод координат в местные локальные системы координат, в которых ведется кадастровый учет. Именно таким способом можно повысить монетизацию нашей спутниковой системы навигации.
