Глобальні системи навігації GPS, ГЛОНАСС, ГАЛІЛЕО, Бейдоу в сільському господарстві

Система GPS в сільському господарстві використовується для точного визначення об'єкта (трактора, машини і будь-якого іншого об'єкта із приймачем GPS) на полі і поза ним. Спочатку американські розробники створили цю систему, адаптувавши її під потреби армії (детально і популярно про саму систему можна прочитати тут: sattut.my1.ru/publ/gps_navigacija/sravnenie_sistem_gps_glonass_i_galileo/3-1-0-4). Наприкінці 90-х технологія точного позиціонування об'єкта, як і будь-яка інша розробка подвійного призначення, стала поступово займати нішу цивільного сектора, в тому числі й у сільському господарстві. Тоді сама думка про точний підрахунок площ сівби та оптимізації витрат вже привертала практичних американців. Технологія поступово розвивалася: спочатку давала можливість просто отримувати координати, пізніше, за допомогою електронних карт і баз даних, - точні площі полів і мікрорельєф. Паралельно розвивалися технічні пристрої («помічник» водія - підрулювання, бортовий комп'ютер для трактора тощо). До кінця 2010-го з'явилися перші машини для точного внесення насіння і добрив на поле, тобто система GPS придбала нові функціональні якості та перейшла від постачання інформації кінцевого користування до безпосередньої участі в процесі вирощування. Станом на 2015-й на основі цієї системи пропонувся вже цілий спектр технічних пристроїв і розробок, які полегшують роботу аграрія в полі.

Проте реалії в Україні дещо інші. Як говорилося раніше, система була розроблена військовими для своїх потреб і в разі отримання так званого Р-сигналу на поверхні видає сантиметрову точність. Цей сигнал доступний тільки для військових США та їх союзників, для інших користувачів точність координат у сигналі «округляється до декількох метрів» навіть після рішення про скасування так званого селективного доступу (доступ SA (selective availability) - похибка, штучно внесена в супутникові сигнали для неточної роботи цивільних GPS-приймачів) (рис. 1.1.1).

Цей графік наштовхує на думку про те, що система на полі працюватиме з великою похибкою. Оскільки Україна не належить до стратегічних партнерів США, то ми отримуємо тільки цивільний варіант коду.

Як альтернатива американській існує відома система ГЛОНАСС (Глобальна навігаційна супутникова система), яка бере свій початок у СРСР (1976 г.) і, якщо знехтувати політичними моментами, є більш зручною для роботи в Україні, тому що розроблялася для роботи в широтах від 0 до 90 градусів Північної півкулі, де точність сигналу вища. Хоча справедливості заради варто помітити, що і вона не позбавлена ​​недоліків: у керівництві та оперативному управлінні системи стять військові. Вони можуть у будь-який момент округлити точність координат для користувача. Уже традиційно самі приймачі змонтовані на більш застарілих платах (чіпсети), що робить їх більш масивними, об'ємними і дорогими. Хоча останнім часом з'явилися приймачі, які однаково працюють як з GPS, так і з ГЛОНАСС і коштують відносно недорого.

Альтернатива GPS і ГЛОНАСС

Крім основних гравців в цій «гонці» є ще й ті, хто «наздоганяють»: Європа (система ГАЛІЛЕО) і Китай (система БЕЙДОУ, або «Північний ківш»).

ГАЛІЛЕО розроблялася як громадянська система, і отримання точних координат можливе після покупки приймача та оплати послуг із отримання цих координат. У розробці та впровадженні, крім країн Європи, беруть участь: Ізраїль, Китай, Південна Корея та Україна (постачаяє розгінні блоки ракет-носіїв). Станом на 2015-й було тільки апробовано перші кілька супутників на орбіті, фаза продажу послуги ще не стартувала. Однак варто зазначити кооперацію цих супутників і самої системи з системою GPS (третього покоління), що дозволить у найближчому майбутньому, при виконанні всієї програми, дати точність відразу до метра і вище (десятки сантиметрів).

Система «Північний ковш» розробляється Китаєм з 2000 року і на нашому ринку як бренд поки не представлена. Однак плани КНР поширюються далеко за межі республіки (станом на 2014 року вже отримано точність менше метра) і мають досить агресивну комерційну політику. Не виключена поява найближчим часом на ринку дешевого аналога американської системи.

У підсумку, на ринку навігаційних систем станом на 2015 рік представлено два основних оператори (гравця) з надання навігаційних сигналів і два аутсайдера з великими амбіціями і потенціалом. Конкуренція мала, тому поява нових гравців позитивно позначиться на цьому ринку послуг подальшим зниженням цінової політики та підвищенням точності результатів.

Хто краще і кого вибрати сільгоспвиробнику?

Однозначної відповіді поки що немає: з системою GPS поставляється маса додаткових пристроїв і забезпечення, у ГЛОНАСС краще прийом у наших широтах.

Також слід згадати про систему обробки сигналів географічних координат (датумів). У GPS і ГЛОНАСС вона різна, по іншим системам інформації поки немає. Система просторових координат: для ГЛОНАСС - це ПЗ-90, для GPS - WGS-84 (http://www.z-navi.ru/index.php/products/camera/81-prod/105). Для звичайного користувача це начебто не має значення, однак ці датум (системи рівнянь) використовуються в географічних інформаційних системах (ГІС) як математична основа для обчислення довжин, площ і подальших маніпуляцій із ними. Далі наведемо цитату зі згаданого вище джерела: «Земна куля, на якій ми живемо, не є ідеальною фігурою кулі, вчені-математики США і Росії створили дві різні математичні моделі, які описують нерівності нашої земної кулі, за якими ведеться розрахунок координат. Тобто відстань до супутників у GPS і ГЛОНАСС ми вимірюємо за одним принципом, а ось розрахунок фактичних координат відбувається за різними формулами. Яка математична модель точніша або краща - сказати важко, але існує складність перерахунку даних між системами ГЛОНАСС і GPS, через відсутність офіційно опублікованої матриці переходу між використовуваними системами координат, за деякими оцінками, на сьогодні похибка перерахунку складає близько 20 метрів». І зараз деякі фірми надають платні послуги з перерахунку координат. 

Поділлємо олії в вогонь - в Україні використовується ще кілька датумів: СК42, СК 63, УСК-2000 (кадастрові центри України), а також місцеві координати (саме в них побудовано старі картосхеми землекористування). Тобто до того, що точність сигналу у різних системах і так містить помилку, додається ще й помилка через різну точність цих рівнянь. Тільки тому вже варто ставитися трохи скептично до рекламних кампаній операторів, які говорять про сантиметрову точність на полі при внесенні насіння, добрив, гербіцидів тощо. 

На практиці це виглядатиме наступним чином: трактор із антеною GPS десь на полі прийматиме сигнал добре, десь із рук геть погано, точність при цьому буде змінюватися від декількох метрів до декількох десятків метрів. Зупиняти трактор/машину на полі, щоб дочекатися точного сигналу, ніхто не буде, особливо коли час коштує дорого (посів, збирання тощо).

Автору можуть заперечити, що навігаційна система GPS автономна і повністю функціональна і без датумів, які застосовуються в Україні. Щоб переконатися в зворотньому, достатньо придивитися на карти, які поставляються з цивільними приймачами GPS, щоб зрозуміти, що вони досить приблизні.

Кадастрову карту України побудовано на планшетах масштабу 1:50 000 і нижче, а в інтернеті вона представлена ​​картою генштабу (1: 100 000), що побудована в датумах СК42 (або Пулково).

Ось ще одна дуже корисна цитата з цього джерела: «Співробітники шведської компанії Swepos, яка обслуговує загальнонаціональну мережу супутникових навігаційних станцій, визнали перевагу російської системи навігації ГЛОНАСС над американською GPS, повідомляє Reuters. За словами Бо Йонссона, ГЛОНАСС забезпечує більш точне позиціонування в північних широтах. Російські супутники розташовуються вище, ніж супутники GPS, тому наше обладнання бачить їх краще». Залишається додати, що Україна якраз розташована на тих широтах, де сигнал супутників ГЛОНАСС дуже хороший.

Виходить, що на даному етапі краще користуватися системою GPS, сигнали якої переведено в систему координат України (або «старі» датум СРСР), і чекати поки інші гравці на ринку не почнуть серйозно боротися за кінцевого користувача аграрного сектора, знижуючи ціну на послуги і паралельно розширюючи перелік самих послуг.

RТК-станції на территорії України (сенс і перспективи використання)

З якістю прийому сигналу GPS (ГЛОНАСС), достатньою для точного внесення агротехнікою добрив, не все так погано, як здається на перший погляд. Існує додаткова система наземних станцій, які дозволяють домогтися сантиметрової точності і без Р-сигналу GPS (ГЛОНАСС).

Це наземні станції RTK (англ. Real Time Kinematic - кінематика реального часу). Вони дають можливість отримати планові координати і висоти місцевості з сантиметровою точністю за допомогою поправок із базової станції, сигнали з якої приймає апаратура користувача під час зйомки.

Для цього користувач купує відповідну апаратуру, так звані GNSS-приймачі, і послуги оператора, який, по суті, продає спеціальні сигнали. Під час роботи сам приймач використовує вимірювання фаз двох сигналів одночасно на двох GNSS-приймачах і отримує необхідні координати. При цьому координати базового (основного) приймача відомі заздалегідь і точно визначені, і він безперервно передає набір даних, які називають поправками. Канал зв'язку може бути різним: стільниковий модем, інтернет, радиомодем. Другий приймач (рухливий), встановлений на будь-якому вигляді трактора/машини або іншому транспортному засобі, отримує ці дані для точного визначення координат на відстані не більше 30 км від базової станції.

Принципи роботи RTK-станції і GNSS-мережі

RTK-станції працюють у вигляді мережі, кожна станція якої має дуже точні і відомі географічні координати (як правило, такі станції встановлюють у національній триангуляционній мережі). Ідеологія цієї мережі передбачає використання не менше 5 базових станцій і ніякого обмеження в бік збільшення їх кількості (рис.1.2.1).

Після установки і включення GNSS починає посилати свої географічні координати на центральний сервер, якій обробляє отриману інформацію і видає поправки, що спрямовані на зменшення та виключення помилок координат залежно від рельєфу і відстані, а також поправки, що впливають на точність рухомого приймача.

Це досягається завдяки неоднозначності зіставлення даних із супутників, бо «спостерігає» відразу вся мережа станцій на охопленій нею території. З невеликою часовою затримкою сервер формує поправки і вносить коректування в роботу всіх станцій, а ті, в свою чергу, направляють їх на рухомий приймач.

Рухомий приймач навіть під час руху на своєму носії зв'язується з найближчою станцією та отримує найостанніші RTK-дані. Розраховує своє місце розташування, причому робить це протягом усього оплаченого сеансу зв'язку або свого графіка роботи.

При роботі рухомого приймача в такій мережі є незаперечні переваги. Не потрібен зайвий фахівець біля рухомого приймача. Отримані дані з найближчої станції постійні і не дозволяють накопичуватися помилкам. Точність таких приймачів безпрецедентна і не втрачається навіть на критичних (понад 30 км) відстанях між станціями. Станції можуть «на льоту» заміняти одна одну при виході з ладу, при цьому клієнт («приймач») навіть не буде про це знати, а якість зв'язку і точність не погіршуються.

Варто додати, що GNSS-мережі постійно розвиваються і підключають нові станції. Для порівняння, на рис. 1.2.2 показано розташування станцій на території України станом на 30 травня 2012 року (всього 85 станцій). Кількість станцій на 30.04.2013 р - 120, на 12.02.2014 р вже була встановлена ​​181 станція. На рис. 1.2.3 показано загальну кількість станцій (182) на 01.07.2015 р.

На жаль, через військові дії на південному сході України частину станцій відключено або втрачено і отримати точні координати не представляється можливим, втім, як і проводити повноцінну сільськогосподарську діяльність на цих територіях (рис. 1.2.4).

Кількість операторів таких мереж на ринку постійно зростає, як і конкурентна боротьба між ними (табл. 1.2.1).

На кожній сторінці оператора є опис послуги та технічні можливості для більш детального ознайомлення з обладнанням, що  поставляється.

При всіх позитивах, це все-таки додаткова послуга і далеко не безкоштовна. Тому при виборі компанії - оператора послуги автор орієнтувався б на близькість розташування базової станції від земельного банку клієнта і на сервісні можливості оператора (заміна та поставка обладнання, ремонт, навчання персоналу тощо).

Якщо проаналізувати розміщення всіх базових RTK-станцій, можна помітити, що кожна компанія (оператор ринку) не володіє всіма (100%) станціями, а тільки якоюсь своєю частиною, і всі вони обмінюються сигналами між своїми і «чужими» (конкурентами) станціями в мережі, тому якість сигналу в усіх операторів завжди однакова.

М. Солоха, канд. географ. наук, ст. наук. співробітник,

ННЦ "Інститут грунтознавства та агрохімії імені А.Н. Соколовського" НААН України

Інформація для цитування

Точне землеробоство - майбутнє сільського господарства . Глава 1. Глобальна система навігації в сільському господарстві / М. Солоха // Пропозиція. Спецвипуск. Точне землеробоство - майбутнє сільського господарства — 2015. —  С. 4-7