Какво представлява GPS?

Контролът на всеки дрон винаги зависи от пилотът, който, за по-нисък клас дронове, използва оптично позициониране. Дроновете за начинаещи обикновено нямат GPS, но по- специализираните дронове се възползват от GPS приемници, които позовляват някои функции за навигиране:

Задържане на позиция: Позволява на дрона за запази позицията си на определена височина и локация.

Връщане вкъщи: Дронът запомня мястото от което е излетял, и с натискане на бутона за връщане, автоматично ще се върне до това място.

Полет по траектория: Полетът на дрона може да бъде предварително зададен чрез въвеждане на траектория.

Всички тези функции изискват GPS система, затова пилотът трябва да има познания за работата на GPS-a.

Какво е GPS навигация на дрон?

Глобалната позиционираща система е сателит е навигираща система, която използва радио приемник да събира сигнал от орбитиращи сателити, за да установи локация, скорост, и време. Тази навигираща система е по- точна от другите системи и предоставя информация за позицията до няколко метра. Специализираните GPS системи могат да дадат още по- точна локация, с точност до няколко сантиметра. Миниатюризацията на вградените платки позволява на GPS приемниците да са високо икономични и достъпни до всеки. GPS е радио система, която достъпва почти всяка територия на планетата.

GPS системата е развита от военните сили на САЩ през 1973 с цел да развият система за навигиране с точност за ICBM. Информацията за целта е добре позната, но за САЩ, установяването на координати за изстрелването е трудно, защото повечето от ракетите на САЩ се пренасят през морето с подводници. За нанасянето на успешен удар върху целта е нужна точна информация за местоположението. В следствие, GPS бе развит за решението на този проблем.

GPS Триангулация

GPS навигацията е свързана с концепцията на триангулация за определяне на позиция на повърхността на земята. Триангулация – процес, при който местоположението на радиоприемник може да бъде определено чрез измерване на радиалното разстояние на приетия сигнал от различни източници.

За сателитната навигация използваме трилатерация, която изисква четири сигнала за определяне позицията на GPS приемника на дрона. Сигналът от един спътник установява, че сте на сфера в даден радиус от спътника. Втори сигнал от друг спътник е друга сфера, която се пресича с първата. Така че вие сега сте някъде на кръг, който се образува от двете пресечени сфери. Трети сигнал стеснява местоположението до две точки на кръга.

За да се определи правилното местоположение от тези две точки, може да се използва четвърти сигнал, но обикновено една от двете точки може да бъде отхвърлена, ако се намира твърде далеч от Земята или се придвижва с невероятна скорост. Обикновено се използва четвърто измерване, но по друга причина.

Разстояние от време

Когато имате GPS приемник, трябва да се определи точното разстояние до трите или четирите сателита, от които той получава сигнал. Всеки сателит предава кодиран сигнал, който съдържа информация, относно неговата позиция и време. Радиовълните пътуват със скоростта на светлината. Ако приемникът има точен часовник, изглежда, че трябва да е обикновен случай на (разстояние = време * скорост). Въпреки това има проблем с този подход.

Първият проблем е необходимостта от синхронизирани часовници. Всеки GPS сателит има четири атомни часовника, два цезия и два рубидия, осигуряващи точност на времето до една секунда за 100 000 години. Приемниците имат много по- неточни часовници и трябва да компенсират времето, необходимо за получаване на сигнала.

Радиовълните пътуват само със скоростта на светлината в перфектен вакуум. Земната атмосфера изкривява и забавя сателитните сигнали. Този ефект трябва да бъде компенсиран и от приемника.

Поправяне на GPS грешки

Ако часовникът на приемника беше перфектно синхронизиран със сателита, всички обхвати ще се пресичат в една точка. Това, което приемникът прави, е да потърси един корекционен коефициент, който може да приложи за всички измервания на времето, които водят до пресичане в една точка. Този корекционен коефициент може да се използва и за синхронизиране на часовника на приемника със сателитните часовници.

Обаче познаването на разстоянията до спътниците е само част от решението. Трябва също да имаме точни познания за позициите на спътниците. Орбитите на спътниците са точно моделирани и е възможно да се предвидят бъдещите места на всеки спътник. Въпреки това малки смущения причиняват промяна във въпросната орбита, но това се компенсира от наземни измервания на сателитните орбити. Тази информация е достъпна за спътниците, и се предава заедно със сигнали за синхронизация.

Ефектът на атмосферата върху разпространението на сигнала може да бъде математически моделиран и предвиден. Тези модели отчитат ефекта на заредените частици в йоносферата и ефектите на тропосферата. Приемникът отчита ъгъла на всеки сигнал, тъй като това определя дължината на пътя през атмосферата.

Военен срещу цивилен GPS

Както споменахме по-рано, GPS произхожда от американска военна иновация, която даде предимство на американските военни сили пред противниковите сили. Хората сметнали, че GPS ще бъде изгоден за гражданска употреба, но ако гражданите могат да приемат същия сигнал, това би отнело военното предимство, което GPS предоставя. Решението е да се направят два варианта на GPS. Службата за прецизно позициониране (PPS) е с военен клас, а гражданската версия беше службата за стандартно позициониране (SPS). SPS приемниците бяха направени по-малко точни с помощта на настройката Selective Availability (SA). Въпреки това SA е деактивиран през 2000 г., подобрявайки точността на GPS за гражданска употреба. От тогава използването на GPS значително се увеличи.

GPS приложения

Повечето хора са свикнали да виждат GPS приемници, които се използват за навигация при шофиране. Но след като можете да определите точното си местоположение на Земята, тя отваря много възможности за технологични иновации. Не е трудно да си представим самоуправляващи се автомобили, които използват GPS за навигация. Шофирането по магистрала също може да бъде направено по-безопасно, ако колата ви има точни познания за положението на колите около нея, като по този начин премахва нуждата от човешка намеса, склонна към грешки. Същата логика може да се приложи и за контрола на въздушното движение. През следващите десетилетия GPS ще намали нуждата от радарни системи за проследяване на самолети.

Служителите на първа помощ могат да се възползват от GPS навигацията, която може да осигури най-краткия и бърз път до дестинацията. Сега фермерите използват GPS системи в селскостопанското оборудване, за да управляват и събират реколтата по-ефективно. Селскостопанските животни, домашните любимци и дивите животни могат да бъдат проследени по-лесно с помощта на GPS. Хората със зрителни увреждания, които традиционно разчитат на кучета водачи, много се възползват от говорещи GPS модули.

Американските GPS сателити са само една от няколкото глобални спътникови навигационни системи. През 1982 г. Съветският съюз пусна GPS спътниците GLONASS, които Русия продължава да ползва. Европа разработва GPS системата Galileo, докато Китай разработва собствени GPS спътници Compass. Има няколко по-малки GPS съзвездия, включително китайския BeiDou и индийския IRNSS.

Обикновено GPS приемникът приема сигнали само от една от тези сателитни системи. Но няма причина човек да не може да използва сигнали от множество източници. Разпределението на американските GPS сателити е такова, че най-малко четири сателита са видими от всяко място. Комбинирането на сигнали от GPS, GLONASS и Galileo може значително да увеличи точността на позицията и да премахне проблема с блокирането на сигнали от високи сгради. Колкото повече сателити са видими за приемника, толкова по-голяма е точността на позицията. Дроновете имат няколко режима, които използват както американските, така и руските GPS спътници, като по този начин увеличават стабилността на навигацията. Възможността да се използват множество източници на GPS е изключително изгодно и е функция, която трябва да търсите, когато купувате по-напреднал дрон.

GPS Проблеми и предизвикателства

Колкото и да са GPS системите, има няколко проблема, присъщи на настоящата система. GPS сателитите имат кратък живот и трябва периодично да се подменят. Космосът е опасна среда, която води до повреждане или унищожаване на спътници от метеори или слънчеви изблици. Най-голямото притеснение с GPS е свързано с поверителността и проследяването. Възможно е да поставите GPS проследяващо устройство върху физическо лице или превозно средство.

GPS навигация на дрон по маршрут

Вграждането на GPS приемници в усъвършенствани дронове позволява GPS навигация по зададен маршрут. Това е усъвършенствана технология, която позволява на един дрон да лети автономно по предварително програмирани точки. Тази система може да инструктира дрона колко бързо, колко високо и къде да лети. Може също така да се програмира да се задържи за определен период от време над всяка точка.

Дроновете все повече се използват за проучване на строителството на сгради, поддръжката на пътищата и инспекциите на инфраструктурата. Земеделските приложения включват инспекция на културите и проследяване на селскостопански животни. Използвайки GPS навигация на дрона по зададен маршрут, може да се провери зона в предварително зададените позиции. След това контролерът на дрона се фокусира изцяло върху контрола на камерата и може да извърши проверката.

Усъвършенстването на GPS навигацията в дронове значително увеличи полезността им и разнообразието на приложения.