Глобальные системы навигации GPS, ГЛОНАСС, ГАЛИЛЕО, БЕЙДОУ в сельском хозяйстве
Системы GPS, ГЛОНАСС, ГАЛИЛЕО, БЕЙДОУ могут облегчить работу аграриев и принести существенную экономическую выгоду.
Зачем нужна GPS навигация для сельского хозяйства
Система GPS навигации в сельском хозяйстве используется для точного определения объекта (трактора, машины и любого иного объекта с приёмником GPS) на поле и вне его. Первоначально американские разработчики создали эту систему, адаптировав ее под нужды армии (детально и популярно о самой системе можно прочитать здесь: https://sattut.my1.ru/publ/gps_navigacija/sravnenie_sistem_gps_glonass_i_galileo/3-1-0-4). В конце 90-х технология точного позиционирования объекта, как и любая другая разработка двойного назначения, стала постепенно занимать нишу гражданского сектора, в том числе и в сельском хозяйстве. Тогда сама мысль о точном подсчёте площадей сева и оптимизации затрат уже привлекала практичных американцев. Технология постепенно развивалась: сначала давала возможность просто получать координаты, позже, с помощью электронных карт и баз данных, — точные площади полей и микрорельеф. Параллельно развивались технические устройства («помощник» водителя — подруливание, бортовой компьютер для трактора и т. д.). К концу 2010 г. появились первые машины для точного внесения семян и удобрений на поле, то есть система GPS навигации приобрела новые функциональные качества и перешла от снабжения информацией конечного пользования к непосредственному участию в процессе выращивания. По состоянию на 2015 г. на основе этой системы предлагается уже целый спектр технических устройств и разработок, которые облегчают работу агрария на поле.
Однако реалии в Украине несколько другие. Как говорилось ранее, система была разработана военными для своих нужд и в случае получения так называемого Р-сигнала на поверхности выдаёт сантиметровую точность. Этот сигнал доступен только для военных США и их союзников, для остальных пользователей точность координат в сигнале «округляется до нескольких метров» даже после решения отмены так называемого селективного доступа (доступ SA (selective availability) — погрешность, искусственно вносимая в спутниковые сигналы для неточной работы гражданских GPS-приемников) (рис. 1.1.1).
Этот график наводит на мысль о том, что система на поле будет работать с большой погрешностью. А так как Украина не относится к стратегическим партнёрам США, то мы получаем только гражданский вариант кода.
Как альтернатива американской существует небезызвестная система навигации ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система), которая берёт своё начало в СССР (1976 г.) и, если опустить политические моменты, является более удобной для работы в Украине, потому как разрабатывалась для работы в широтах от 0 до 90 градусов Северного полушария, где точность сигнала выше. Хотя справедливости ради стоит заметить, что и навиция ГЛОНАСС не лишена недостатков: в руководстве и оперативном управлении системы находятся военные. Они могут в любой момент округлить точность координат для пользователя. Уже традиционно сами приёмники смонтированы на более устаревших платах (чипсетах), что делает их более массивными, объёмными и дорогими. Хотя в последнее время появились приёмники, которые одинаково работают как с GPS, так и с навигатором ГЛОНАСС и стоят относительно недорого.
Альтернатива GPS и навигаторам ГЛОНАСС
Кроме основных игроков в этой «гонке» есть еще и «догоняющие»: Европа (система ГАЛИЛЕО) и Китай (система БЭЙДОУ, или «Северный ковш»).
ГАЛИЛЕО разрабатывалась как гражданская система, и получение точных координат возможно после покупки приёмника и оплаты услуг по получению этих координат. В разработке и внедрении, кроме стран Европы, участвуют: Израиль, Китай, Южная Корея и Украина (поставляет разгонные блоки ракет-носителей). По состоянию на 2015 г. были только апробированы первые несколько спутников на орбите и фаза продажи услуги ещё не стартовала. Однако стоит отметить кооперацию этих спутников и самой системы с системой GPS (третьего поколения), что позволит в ближайшем будущем, при выполнении всей программы, дать точность сразу до метра и выше (десятки сантиметров).
Система «Северный ковш» разрабатывается Китаем с 2000 г. и на нашем рынке как бренд пока не представлена. Однако планы КНР распространяются далеко за пределы республики (по состоянию на 2014 г. уже получена точность меньше метра) и имеют весьма агрессивную коммерческую политику. Не исключено появление в ближайшее время на рынке дешёвого аналога американской системы.
В итоге, на рынке навигационных систем по состоянию на 2015 г. представлены два основных оператора (игрока) по предоставлению навигационных сигналов и два аутсайдера с большими амбициями и потенциалом. Конкуренция довольно мала, поэтому появление новых игроков только положительно скажется на этом рынке услуг дальнейшим снижением ценовой политики и повышением точности результатов.
Какую систему GPS навигации выбрать сельхозпроизводителю?
Итак, общие игроки определены, возможности примерно равны. Кто лучше и кого выбрать сельхозпроизводителю? Однозначного ответа пока нет: с системой GPS навигации поставляется масса дополнительных устройств и обеспечения, у навигаторов ГЛОНАСС лучше приём в наших широтах.
Также следует упомянуть о системе обработки сигналов географических координат (датумов). У GPS и ГЛОНАСС она разная, по остальным системам информации пока нет. Система пространственных координат: для ГЛОНАСС — это ПЗ-90, для GPS — WGS-84 (https://www.z-navi.ru/index.php/products/camera/81-prod/105). Для обычного пользователя это вроде бы не имеет значения, однако эти датумы (системы уравнений) используются в географических информационных системах (ГИС) как математическая основа для вычисления длин, площадей и дальнейших манипуляций с ними. Далее приведём цитату из упомянутого выше источника: «Земной шар, на котором мы живем, не является идеальной фигурой шара, ученые-математики США и России создали две разные математические модели, описывающие неровности нашего земного шара, по которым ведётся расчёт координат. То есть расстояние до спутников в GPS и ГЛОНАСС мы измеряем по одному принципу, а вот расчёт фактических координат происходит по разным формулам. Какая математическая модель точнее или лучше — сказать трудно, но существует сложность пересчета данных между системами ГЛОНАСС и GPS, из-за отсутствия официально опубликованной матрицы перехода между используемыми системами координат, по некоторым оценкам, на сегодня погрешность пересчёта составляет порядка 20 метров». И сейчас некоторые фирмы предоставляют платные услуги по пересчёту координат.
Подольем масла в огонь – в Украине используется ещё несколько датумов: СК42, СК 63, УСК-2000 (кадастровые центры Украины), а также местные координаты (именно в них построены старые картосхемы землепользования). То есть к тому, что точность сигнала у разных систем и так имеет ошибку, добавляется ещё и ошибка из-за разной точности этих уравнений. Только поэтому уже стоит относиться немного скептически к рекламным компаниям операторов, которые говорят о сантиметровой точности на поле при внесении семян, удобрений, гербицидов и т. д.
На практике это будет выглядеть следующим образом: трактор с антенной GPS где-то на поле будет принимать сигнал хорошо, где-то из рук вон плохо, точность при этом будет меняться от нескольких метров до нескольких десятков метров. Останавливать трактор/машину на поле, чтобы дождаться точного сигнала, никто не будет, особенно когда время дорого (сев, уборка и т. д.).
Автору могут возразить, что навигационная система GPS автономна и полностью функциональна и без датумов, которые применяются в Украине. Чтобы убедиться в обратном, достаточно присмотреться к картам, которые поставляются с гражданскими приёмниками GPS, чтобы понять, что они достаточно приблизительны.
Кадастровая карта Украины построена на планшетах масштаба 1:50 000 и ниже, а в интернете представлена картой генштаба (1:100 000), построенной в датуме СК42 (или Пулково). 
Вот ещё одна очень полезная цитата из этого источника: «Сотрудники шведской компании Swepos, обслуживающей общенациональную сеть спутниковых навигационных станций, признали преимущество российской системы навигации ГЛОНАСС над американской GPS, сообщает Reuters. По словам Бо Йонссона, ГЛОНАСС обеспечивает более точное позиционирование в северных широтах. Российские спутники располагаются выше, чем спутники GPS, поэтому наше оборудование видит их лучше». Остаётся добавить, что Украина как раз расположена на тех широтах, где сигнал спутников ГЛОНАСС очень хороший.
Выходит, что на данном этапе лучше пользоваться системой GPS, сигналы которой переведены в систему координат Украины (или «старые» датумы СССР), и ждать пока остальные игроки на рынке не начнут всерьёз бороться за конечного пользователя аграрного сектора, снижая цену на услуги и параллельно расширяя перечень самих услуг.
RТК-станции на территории Украины (суть и перспективы использования)
С качеством приёма сигнала GPS (ГЛОНАСС), достаточным для точного внесения агротехникой удобрений, не всё так плохо, как кажется на первый взгляд. Существует дополнительная система наземных станций, которые позволяют добиться сантиметровой точности и без Р-сигнала GPS (ГЛОНАСС).
Это наземные станции RTK (англ. Real Time Kinematic — кинематика реального времени). Они дают возможность получить плановые координаты и высоты местности с сантиметровой точностью с помощью поправок с базовой станции, сигналы с которой принимает аппаратура пользователя во время съёмки.+
Для этого пользователь покупает соответствующую аппаратуру, так называемые GNSS-приёмники, и услуги оператора, который, по сути, продаёт специальные сигналы. Во время работы сам приёмник использует измерения фаз двух сигналов одновременно на двух GNSS-приёмниках и получает необходимые координаты. При этом координаты базового (основного) приёмника известны заранее и точно определены, и он непрерывно передаёт набор данных, которые называют поправками. Канал связи может быть разным: сотовый модем, интернет, радиомодем. Второй приёмник (подвижный), установленный на любом виде трактора/машины или ином транспортном средстве, получает эти данные для точного определения координат на удалении не более 30 км от базовой станции.
Принципы работы RTK-станции и GNSS-cети
RTK-станции работают в виде сети, каждая станция которой имеет очень точные и известные географические координаты (как правило, такие станции устанавливают в национальной триангуляционной сети). Идеология этой сети подразумевает использование не менее 5 базовых станций и никакого ограничения в сторону увеличения их количества (рис.1.2.1).
После установки и включения GNSS начинает посылать свои географические координаты на центральный сервер, которой обрабатывает полученную информацию и выдаёт поправки, направленные на уменьшение и исключение ошибок координаты в зависимости от рельефа и расстояния, а также поправки, влияющие на точность подвижного приёмника.
Это достигается благодаря неоднозначности сопоставления данных со спутников, так как «наблюдает» сразу вся сеть станций на охваченной ею территории. С небольшой временной задержкой сервер формирует поправки и вносит корректировки в работу всех станций, а те, в свою очередь, направляют их на подвижный приёмник.
Подвижный приёмник даже во время движения на своём носителе связывается с ближайшей станцией и получает самые последние RTK-данные. Рассчитывает своё местоположение, причём делает это в течение всего оплаченного сеанса связи или своего графика работы.
При работе подвижного приёмника в такой сети есть неоспоримые преимущества. Не нужен лишний специалист возле подвижного приёмника. Полученные данные с ближайшей станции постоянны и не позволяют накапливаться ошибке. Точность таких приёмников беспрецедентна и не утрачивается даже на критических (более 30 км) расстояниях между станциями. Станции могут «на лету» заменять одна другую при выходе из строя, при этом клиент («приёмник») даже не будет об этом знать, а качество связи и точность не ухудшаются.
Стоит добавить, что GNSS-сети постоянно развиваются и подключают новые станции. Для сравнения, на рис. 1.2.2 показано месторасположение станций на территории Украины состоянием на 30 мая 2012 г. (всего 85 станций). Количество станций на 30.04.2013 г. — 120, на 12.02.2014 г. уже была установлена 181 станция. На рис. 1.2.3 показано общее количество станций (182) на 01.07.2015 г.
К сожалению, из-за военных действий на юго-востоке Украины часть станций отключена или потеряна и получить точные координаты не представляется возможным, впрочем, как и проводить полноценную сельскохозяйственную деятельность на этих территориях (рис. 1.2.4).
Количество операторов таких сетей на рынке постоянно растёт, как и конкурентная борьба между ними (табл. 1.2.1).
На каждой странице оператора есть описание услуги и технические возможности для более детального ознакомления с поставляемым оборудованием.
При всех положительных сторонах, это всё-таки дополнительная услуга и далеко не бесплатная. Поэтому при выборе компании — оператора услуги автор ориентировался бы на близость расположения базовой станции от земельного банка клиента и на сервисные возможности оператора (замена и поставка оборудования, ремонт, обучение персонала и т. д.).
Также стоит добавить, что если проанализировать размещение всех базовых RTK-станций, можно заметить, что каждая компания (оператор рынка) не владеет всеми (100%) станциями, а только какой-то своей частью, и все они обмениваются сигналами между своими и «чужими» (конкурентов) станциями в сети, поэтому качество сигнала у всех операторов всегда одинаковое.
М. Солоха, канд. географ. наук, ст. научный сотрудник,
ННЦ "Институт почвоведения и агрохимии имени А.Н. Соколовского" НААН Украины
