Системи глобального позиціонування та їх вдосконалення
Однією з основних складових технології диференційованого застосування добрив є система позиціонування, а основним елементом її є приймач сигналів GPS. Застосування GPS дозволяє товаровиробникам точно, автоматизовано в реальному масштабі часу визначати координати при відборі проб, вносити добрива на окремі ділянки поля, складати карти врожайності, визначати межі поля, точне розташування бур'янів, шкідників рослин, рельєф місцевості. Найчастіше досить знання координат на площині - х і у. Для більш складних операцій може знадобитися знання та z-координати.
Системи позиціонування можна залежно від вимог до точності поділити на 4 класи (таблиця 1).
Таблиця 1. Вимоги до точності систем позиціонування
Визначення координат полів
Автоматичний збір інформації
Контролює перекриття суміжних проходів при внесенні добрив та комбайновому прибиранні с.-г. культур
Контроль за виконання точних операцій
Механічний спосіб боротьби з бур'янами
Супутникові навігаційні системи
В результаті створення наприкінці 1980-х років супутникової навігаційної системи (GPS-NAVSTAR в США та ГЛОНАСС - в Україні) наразі військові та цивільні особи мають вільний доступ до цієї системи для визначення координат свого місцезнаходження незалежно від часу доби та природно-кліматичних умов. Найбільш широке застосування у точному землеробстві отримала система GPS [3, 4, 5].
Система позиціонування ГЛОНАСС поки що використовується обмеженим контингентом (у геодезії, картографії тощо). Система GPS модифікована для позиціонування цивільних наземних, морських та повітряних транспортних засобів, у тому числі об'єктів с.-г.призначення. На ранніх стадіях розробки системи позиціонування характеризувалися низькою надійністю динамічного позиціонування об'єктів у межах поля. Роздільна здатність позиціонування мобільних агрегатів становила 5 м і була недостатньою. Помилка розподілу Гауса перевищувала 10 м. Невелика кількість супутників посилювала цю проблему, при цьому на точність позиціонування впливали дерева та будівлі. Істотно зменшували точність позиціонування багаторазові відображення сигналів від об'єктів позиціонування. Приймачі систем позиціонування були громіздкими та дорогими.
Порівняльні характеристики систем GPS-NAVSTAR та ГЛОНАСС представлені в таблиці 2.
Таблиця 2. Характеристики систем позиціонування GPS - NAVSTAR та ГЛОНАСС
Навігаційна система для визначення часу та відстані
Глобальна навігаційна супутникова система
Міністерство оборони США
Міністерство оборони України
Приблизна точність для цивільних цілей
*З навмисним спотворенням.
У 2000 р. GPS значно підвищила свою точність, а вартість приймачів суттєво знизилася. В даний час 12-канальний приймач GPS можна придбати менш ніж за 100 доларів США. GPS-приймачі отримують сигнали від 8 до 12 супутників, що знаходяться над горизонтом. Типовий приклад приймача сигналів GPS – Trimble Ag.
Європейський Союз фінансує Європейську навігаційну супутникову систему (GNSS). Повноопераційне застосування планується в 2008 р. Ця система покращить точність і надійність позиціонування в порівнянні з GPS.
Кожна із систем GPS та ГЛОНАСС складається з трьох сегментів (рисунок 1).
Сегмент моніторингу та контролю. Він здійснює загальний контроль та управліннясистемою та належить власнику системи.
Космічний сегмент складається з навігаційних супутників (зараз їх 24) з життєвим циклом близько 7 років, організованих у блоки однакової конфігурації та призначення.
Сегмент користувачів на суші, морі та навколоземному просторі з необмеженою кількістю приймачів сигналів.
Мал. 1. Структура супутникової навігаційної системи
Розташування приймачів сигналів GPS або ГЛОНАСС визначається за допомогою сигналів не менше трьох супутників. Координати приймача сигналів визначаються на підставі інформації про положення конкретного супутника та відстані між супутниками та приймачем сигналів.
Системи GPS або ГЛОНАСС дають похибки, зумовлені атмосферними ефектами та просторовою конфігурацією супутників у цей час [9, 10]. Крім цього, у системі GPS навмисно були внесені спотворення сигналів для цивільних користувачів. У зв'язку з цим, точність позиціонування становить ±100 м. Для підвищення точності позиціонування використовують додатковий стаціонарний приймач сигналів з відомими координатами (базова станція DGPS).
Додатковий приймач сигналів порівнює GPS сигнали з відомими координатами з метою визначення величини похибки. Враховуючи, що та сама похибка має місце і для приймачів сигналів GPS з невідомими координатами (спотвореними), вони можуть бути легко виправлені.
Коригування сигналів у реальному масштабі часу необхідне при виконанні таких с.-г. робіт як внесення добрив, застосування хімічних засобів захисту рослин. Коригуючий сигнал передається зі стаціонарної станції на об'єкт, що рухається (с.-х. машину або агрегат).
Супутниковий сегмент складається з сузір'я, що функціонують в дану.епоху супутників. Сегмент управління та контролю містить головну станцію управління та контролю, станції стеження за супутниками та станції закладки інформації у бортові комп'ютери супутників. Сегмент користувача - це сукупність супутникових приймачів, що у розпорядженні користувачів. Користувача системи в першу чергу цікавить його власний сегмент, тобто наявні у нього приймачі, а також супутниковий сегмент, який значною мірою забезпечує достовірність результатів. Водночас дії сегмента управління та контролю іноді надають критичний вплив на отримані користувачем результати. Користувач не може контролювати систему та впливати на неї, але він зобов'язаний виявляти збої у її роботі та на етапі обробки відсікати відповідні результати.
Супутниковий сегмент. Номінально кожної епохи є 24 працюючих (здорових - healthy) супутника системи. Супутники розподілені по шести кругових орбіт. На кожній орбіті таким чином знаходиться 4 супутники. Площини орбіт рознесені прямому сходженню на 60º.
Нахил площини орбіти до площини екватора становить 53 градуси. Саме такий кут нахилу i малюнку 2 для супутників GPS. Відстань супутників від Землі становить 20200 кілометрів. У цьому період звернення дорівнює половині зоряної доби. Спостерігачеві це зручно. Якщо сьогодні виявилося, що в такий інтервал часу супутник займав таке видиме з цього пункту становище, то завтра приблизно в той же інтервал часу це повториться. Повториться геометрія спостережень, тобто PDOP. Отже, можна планувати спостереження на кілька діб уперед із точністю до кількох хвилин. Перешкодити цьому може лише різке коригування орбіт супутників або перехід якогось із них зстану здорового у стан хворого (unhealthy) чи навпаки.
Сегмент управління та контролю. Цей сегмент називають також операційною системою управління та контролю – Operational Control System (OCS). Основними завданнями сегмента є спостереження за супутниками для визначення їх орбіт та поправок годин супутників щодо GPST, прогноз ефемерид супутників, тимчасова синхронізація супутників, завантаження інформаційного повідомлення на супутники. Існує також багато інших завдань, таких, як забезпечення запусків нових супутників.
Мережа з п'яти станцій використовують для створення широкомовних ефемерид і визначення параметрів ходу годин супутників. Саме цю інформацію користувач отримує із супутникового повідомлення. Більш точну інформацію, але із запізненням, отримують із результатів спостережень супутників на контрольних пунктах інших мереж. Набагато більш глобальна та точна мережа – це Кооперативна міжнародна мережа GPS – Cooperative International GPS Network (CIGNET), керована національною геодезичною службою (NGS) США. Координати станцій цієї мережі визначено методом РСДБ. Отримані цієї мережі ефемериди супутників називають точними. Вони доступні, наприклад, через Інтернет. Підкреслимо ще раз, що отримати їх можна тільки після деякого часу після спостережень. Отже, їх використовують, коли потрібна найвища точність результатів, а затримка в отриманні їх особливої ролі не грає.
Удосконалення систем глобального позиціонування
Для підвищення ефективності застосування систем глобального позиціонування вчені проводять дослідження щодо підвищення точності визначення координат, надійності, розширення сфер застосування. Точність приймачів сигналів GPS залежить від наступних факторів:
використовуваної технології виготовлення приймачів;
похибки, обумовленої недосконалістю супутникових систем;
точності диференційованого сигналу у разі DGPS.
Проводяться дослідження щодо розширення сфери застосування GPS, універсалізації, зниження вартості. Точність визначення координат за допомогою GPS залежить від ціни приймача. Вона змінюється від 100 до 10000 доларів США. Дешеві приймачі (від 100 до 500 $ США) можуть бути використані для визначення координат розміщення бур'янів. Точність таких приймачів близько 10-15 м-коду по горизонталі. Ціна приймачів, що використовуються для диференційованого внесення добрив, забезпечення стикування суміжних проходів, може змінюватися від 1500 до 5000 доларів США.
Ведуться дослідження щодо використання приймачів GPS для водіння агрегатів для внесення добрив та застосування засобів захисту рослин за заданим курсом. Встановлено, що GPS забезпечує більш надійне стикування суміжних проходів. Якщо при використанні пінних маркерів близько 10% площі залишається невдобреною або переудобреною, то при використанні GPS лише 5%. При керуванні агрегатом досвідченим оператором похибка становить близько 1,5%. Є багато інших переваг нового способу водіння (здатність виконувати операції в нічний час, водіння машин-добривників з відцентровими дисками, здійснення підживлення посівів).
Р. І. Лічман, д. т. н., зав. лаб. (ДНУ ВІМ)
А.І. Бєлєнков д. с.-г. н, професор, РДАУ-МСГА імені К.А. Тимірязєва