Cik būtiska līdz ar straujo tehnoloģiju progresu pēdējās desmitgadēs bijusi satelītu navigācijas sistēmu (GNSS) attīstība? Kāds ir tās pašreizējais stāvoklis, vērtējot gan no pašu tīklu, gan to signālu pārraides, gan uztvērēju aparatūras attīstības perspektīvas? Šajā jautājumā iedziļinājies Huiberts Jans Lekerks, “GIM International” redaktors.

Ģeoinformācijas nozare bez GNSS mūsdienās gandrīz vairs nav iedomājama, uzsver H.J. Lekerks. Pat vairuma ģeodēziskajos darbos tagad tiek izmantots GNSS, ne vairs ierastās optiskās tehnoloģijas.

Pasaulē šobrīd darbojas jau četras globālās GNSS sistēmas (GPS (ASV), Glonass (Krievija), Beidou (Ķīna) un Galileo (Eiropas Savienība)). Tiesa, Eiropas Savienības uzturētā Galileo vēl nav sasniegusi pilnu funkcionalitāti, jo pašlaik darbojas 21 no plānotajiem 27 (+3) satelītiem, taču divi no atlikušajiem ir nodošanas fāzē un sagaidāms, ka tuvākajā laikā sistēma sasniegs pilnvērtīgu operacionālo statusu.

Paralēli šīm globālajām sistēmām darbojas arī divas reģionālās sistēmas – Japānas QZSS un Indijas NavIC jeb IRNSS. Japānas konstelācijā ietilpst gan ģeostacionārie, gan kvazizenitālie ģeosinhronie satelīti, un šobrīd sistēma nodrošina pārklājumu tikai pašas Japānas teritorijai. Savukārt šāgada laikā japāņi plāno nogādāt orbītā vēl trīs pavadoņus, kā rezultātā sistēmas kopējais satelītu skaits sasniegs jau septiņus un tā spēs nodrošināt pozicionēšanu ne tikai Japānai, bet arī Austrālijai. Savukārt NavIC nodrošina satelītnavigācijas pakalpojumus Indijai un Indijas okeāna reģionam.

Interesanti, ka Ķīnas Beidou uzskatāma vienlaikus gan par globālu, gan arī reģionālu GNSS sistēmu, jo tajā ietilpst gan ģeostacionārie un ģeosinhronie satelīti virs pašas Ķīnas teritorijas, gan arī satelīti, kas riņķo ap zemeslodi Vidējā Zemes orbītā (starp 2000 un 35 786 kilometriem virs jūras līmeņa), turpat, kur pārējo trīs globālo GNSS pavadoņi. Beidou pieejai ir savas priekšrocības – krietni uzlabots pārklājums Ķīnai un arī Austrālijas teritorijai. Iznāk, ka tieši Austrālijas iedzīvotājiem ir pieejama visplašākā GNSS pakalpojumu izvēle pasaulē, jo tajā pieejamas piecas sistēmas (bez četrām globālajām arī Japānas QZSS). Līdzīga situācija gan ir arī Indijai, lai gan Beidou uztveramība tajā neesot tik laba.

Pārraidītā signāla struktūra visās GNSS sistēmās esot līdzīga, bet uzlabojumi pārsvarā tiek panākti ar pašu satelītu pozicionēšanu un kontroli. Šajā ziņā ar relatīvi nelielām izmaiņām esot iespējams panākt būtisku efektu, jo precīzāk pozicionēts satelīts spēj nodrošināt arī augstāku precizitāti uz Zemes. Tiesa gan, Glonass gadījumā mēģināts eksperimentēt arī ar atšķirīgu pārraides signālu, izmantojot frekvenču dalījuma vairākkārtējas piekļuves (FDMA) standartu ierastā koda dalījuma vairākkārtējas piekļuves (CDMA) vietā, lai gan Glonass-K tipa satelītiem, kas tika sākti palaist kosmosā 2020. gadā, savstarpējās sadarbspējas labad ar citām GNSS sistēmām tika pievienots arī CDMA signāls, kuru bija plānots attīstīt turpmākajos gados un padarīt pilnībā interopercionālu ar GPS, Galileo un Beidou. Pašlaik Glonass tālākās attīstības plāni gan kļuvuši grūti paredzami, ņemot vērā Krievijas iebrukumu Ukrainā un tā sekas.

Gan profesionālām vajadzībām (kā mērniecība, ģeoinformācijas pakalpojumi), gan ikdienas lietošanai viedtelefonos un citās navigācijas ierīcēm, GNSS signāls netiek izmantots tiešā (izejas) formātā, bet gan pārveidotā, paplašinātā formātā. To nodrošina valdību subsidētās signāla paplašināšanas sistēmas (WAAS Amerikā, Egnos Eiropā, MSAS Japānā un Gagan Indijā; izstrādes stadijā šādas sistēmas ir arī Ķīnā, Krievijā, Korejā, Austrālijā un citviet). Šīs sistēmas darbojas pēc vieniem un tiem pašiem principiem. Kontroles jeb bāzes stacijas uz Zemes uztver satelītu pozicionēšanas signālus un salīdzina reāli saņemtos ar prognozētajiem signāliem. Ar dažādu mērījumu palīdzību signālos tiek iestrādātas korekcijas konkrētajai teritorijai un tie tiek nosūtīti ģeostacionārajam satelītam, kurš signālus pārraida atpakaļ GNSS frekvenču joslās.

Tā kā signāla paplašināšanas sistēmas nosedz plašus apgabalus, precizitāte, lai gan ir pietiekama, tomēr nav pārāk augsta. Tāpēc, kad mēniecībā nepieciešama augstāka horizontālā un vertikālā precizitāte, tiek izmantotas reāllaika kinētiskās vai RTK signāla korekcijas sistēmas. Arī šeit iespējamas vairākas pieejas un atsevišķas metodikas ļauj sasniegt pat zem-centimetra augstu precizitāti. RTK trūkums gan ir ierobežotais darbības diapazons ap (virtuālo) bāzes staciju (apmēram 15 km). Līdz ar to nomaļās vietās RTK izmantošana var būt problemātiska.

Atšķirīga tehnoloģija ir precīzā punkta pozicionēšana(PPP), kas, lai gan nav tik precīza kā RTK, tomēr darbojas plašākās teritorijās un tai nav nepieciešama virtuālās bāzes stacijas instalēšana. PPP gadījumā bāzes staciju dati tiek izmantoti, lai modelētu lokālās kļūdas GNSS novērojumos (nevis, lai pārraidītu korekcijas). Tad modeļa kļūdas tiek salīdzinātas ar reālajiem rezultātiem. Šādā veidā iespējams sasniegt zem-decimetra precizitāti gan vertikālajā, gan horizontālajā plaknē.

Uz šo principu balstās arī Galileo Augstas precizitātes serviss, kas spēs nodrošināt horizontālo precizitāti ap 20 cm un vertikālo – ap 40 cm. Šim servisam paredzēts sākt darboties jau šogad, bet pilnu operacionalitāti sasniegt 2024. gadā.

Līdzīgi kā pārējā aparatūra, attīstību piedzīvojuši arī paši GNSS uztvērēji. Tomēr šī izaugsme, vērtējot GNSS uztvērēju jaunākās specifikācijas, gan neesot saucama par revolūciju, drīzāk par evolūciju, uzsver H. J. Lekerks. Iespējams, lielākās izmaiņas GNSS uztvērējos esot IMU tehnoloģijas pievienošana, kas, pateicoties žiroskopu un akselerometru (dažreiz arī magnetometru) veiktiem kompensējošiem aprēķiniem mērniekam ļauj izdarīt precīzus uzmērījumus arī ar slīpi (no 15 līdz pat 60 grādu leņķī) novietotu štoku. Tas ir īpaši svarīgi grūti pieejamās vietās, kur, ja vien nav nepieciešama pati augstākā precizitāte (jo IMU tomēr var pievienot mērījumam arī savu papildus kļūdas procentu), mērījumus iespējams veikt daudz vieglāk un ātrāk.

Vēl viens svarīgs GNSS uztvērēju attīstības atskaites punkts ir tas, ka tie kļuvuši pietiekami kompakti, lai tos būtu iespējams novietot uz bezpilota lidaparātiem, kur mūsdienās par standartu kļūstot multifrekvenču RTK sistēmu izmantošana.

Izmantotie avoti: 

https://www.gim-international.com/content/article/the-incremental-improvements-in-gnss 

https://insidegnss.com/ready-steady-go-here-at-last-comes-glonass-k/

https://www.gpsworld.com/sponsoredcontent/whats-imu-gnss-post-processing-and-vbs/

https://en.wikipedia.org/wiki/Medium_Earth_orbit

https://gssc.esa.int/navipedia/index.php/Galileo_High_Accuracy_Service_(HAS)