Septentrio: спутниковая навигация для ответственных задач

Компания Septentrio NV была основана 22 года назад в недрах IMEC – Международного центра микроэлектроники в г. Лёвен, Бельгия. Группа специалистов выполняла ОКР по заказу Европейского космического агентства, результатом работ стало создание специализированной ИМС AGGA – комбинированного приёмника сигналов глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) GPS и ГЛОНАСС. Позже, уже будучи самостоятельной, Septentrio изготовила приёмную аппаратуру и принимала участие в развёртывании наземной инфраструктуры и тестировании ГНСС Galileo. 

Название компании отражает область её интересов и сферу бизнеса. Septéntrio (лат., с ударением на второй слог) – это и географический север [1], и созвездие Большой Медведицы – основы древнейшего надёжного способа навигации в северном полушарии (рис. 1).

Таким образом, для клиентов Septentrio – это прикладные научные разработки и производство средств навигации для точного и уверенного позиционирования.

В настоящее время Septentrio – юридически самостоятельная компания с персоналом более 120 человек по всему миру, из которых не менее чем 60 сотрудников занято в научно-исследовательских центрах в Бельгии и Финляндии. Офисы также расположены в основных регионах присутствия: США, континентальный Китай, Южная Корея и Япония. Штаб-квартира по-прежнему находится в Бельгии, там же расположены основная производственная площадка и испытательный центр. 

Основными компетенциями компании являются программно-аппаратные способы противодействия подавлению (jamming), подмене (spoofing) и иным природным и техногенным причинам ослабления и искажения сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, внедряемые во всех продуктовых линейках на разных уровнях, а именно:
AIM+ – патентованная технология усовершенствованного мониторинга и устранения помех, интегрирована в каждый приёмник и реализует защиту от рядовых радиопомех и преднамеренного подавления и подмены;
LOCK+ – набор процедур, гарантирующих надёжное отслеживание быстрых изменений сигнала, вызванных, например, механическими вибрациями или ударами приёмника, землетрясениями или ионосферными мерцаниями (сцинтилляциями) радио-сигналов;
APME+ – оценка и компенсация многолучевого распространения радиоволн;
IONO+ – ионосферный мониторинг и обеспечение устойчивости к сцинтилляции; 
RAIM+ – автономный мониторинг целостности приёмника реализует сквозное самотестирование прибора на всех уровнях. 

Главные рынки, для которых работает Septentrio, и ключевые клиенты

Морская, портовая техника и средства автоматизации: Raven Industries, BP (бывш. British Petroleum), DEME, Boscalis Offshore, Jan De Nul, Subsea, Vale.
Геодезия и картография: Delair, Google, iXblue, Pentax, Wingtra, Kespry, SenseFly.
Научные исследования: НАСА, Европейское космическое агентство, USGS, Unavco, CNRS, CNES, SKA.
Вооружения и авиационная техника: ВВС США, ВМФ США, Airbus, DGA, Thales, Thales Alenia Space, BAE Systems, QuinetiQ, Talen-X, Civitanavy, Honeywell.

Четыре истории успеха, которые стали возможны благодаря применению продукции Septentrio 

1. Планировка дорог, дамб, строительных площадок, открытых разработок полезных ископаемых, проведение бурильных и монтажных работ с сантиметровой точностью. 

В проекте компании Flanders по прецизионному бурению шурфов для взрывных работ на карьерах в Амазонии были применены приёмники AsteRx-U с алгоритмами IONO+ для обеспечения надёжности получаемых данных геолокации в условиях высокой солнечной активности (рис. 2). 

2. Обеспечение безопасной навигации и точного позиционирования судов и групп судов при проведении подводных инженерных работ в портовой зоне, на шельфе и при картографировании рельефа дна рек и морей.

Во время работ по углублению фарватера компании Dredging International (DEME Group) потребовалось обеспечить защиту получаемых данных ГНСС от периодических мощных помех, производимых во время учений военным радиопередающим оборудованием. Задача состояла в том, чтобы скомпенсировать глушение коммерческих приёмников GPS и ГЛОНАСС на частотах L2 длительностью несколько десятых секунды с периодом 7 секунд. Проблема была решена установкой на побережье опорной сети приёмников серии AsteRx с активированной функцией AIM+, скоординированно работавших с приёмниками на борту земснаряда (рис. 3).

3. Сейсмография, гляциология, вулканология, контроль просадок, поднятия земной поверхности, другие научные и прикладные геодезические работы.

Метеорологический институт Королевства Нидерланды ведёт мониторинг смещения литосферных плит в районе вулканических островов Саба и Синт-Эстáтиус в Карибском море. Для получения достоверной пространственно-временно́й картины «дыхания» коры Земли в выбранном месте потребовалось, кроме сети сейсмических датчиков, развернуть согласованную с ней сеть приёмников ГНСС для контроля вертикальных и горизонтальных подвижек контрольных точек на протяжённых интервалах времени. Оптимальным оказалось решение на основе опорных приёмников PolaRx5 с антеннами PolaNt Choke Ring B3/E6 (рис. 4). 

Беспилотная навигация, системы помощи при вождении ADAS.

Сельское хозяйство – благодатное поле и быстрорастущий рынок внедрения беспилотной техники, где российские разработчики также демонстрируют значительные успехи. Среди прямых клиентов Septentrio наиболее показательны успехи компании Naio Technologies [2], применившей в автономных роботах DINO для прополки овощей «умную антенну» Altus NR3, приёмник которой обрабатывает сигналы четырёх основных группировок ГНСС с RTK, одновременно обеспечивается связь с распределённой геоинформационной системой за счёт встроенного модуля 4G/LTE и коррекция данных средствами AIM+ (рис. 5).

Обзор продукции

Модули приёмников ГНСС

Компания Septentrio самостоятельно разрабатывает и производит специализированные СБИС и мультисистемные модули на их основе: mosaic-H с отладочной платой, mosaic-X5 с отладочной платой и mosaic-T. Размеры модулей составляют 31×31×4 мм, а вес – 6,8 г. Потребляемая мощность: 0,6…1,1 Вт при напряжении питания 3,3 В. Диапазон рабочих температур: –40…+85 °C. По механическим воздействиям модули отвечают требованиям MIL-STD-810G. Подробная информация о функциональных возможностях и отличиях приведена на рис. 6а, б и в табл. 1.

Встраиваемые (OEM) платы одно- и двухантенных приёмников ГНСС, в том числе с возможностью подключения инерциальных измерительных модулей

В настоящее время выпускаются платы серии AsteRx-m3 в трёх вариантах и AsteRx-i3 в трёх вариантах. Размер платы: 47,5×70×9,32 (10,5) мм, вес с БИНС: 30 г. Некоторые модели можно заказать в готовом корпусе с установленными разъёмами, включая RS-232, USB, Ethernet, вход для антенны ДМВ, а также c блоками Wi-Fi, Bluetooth и с радио­модемом (рис. 7а, б, в, табл. 2).

Корпусированные приёмники ГНСС 

Различные приёмники серии PolaRx5 в защищённом корпусе предназначены для использования в качестве опорных источников сигналов ГНСС, устройств мониторинга ионосферы, устройств временноўй и частотной синхронизации, прецизионного пространственного ориентирования, включая специальные морские версии с ПО для работы в высоких широтах. По метрологическим показателям отдельные модели отвечают требованиям к приборам для научных измерений (рис. 8).

Обеспечивается приём всех введённых в эксплуатацию ГНСС: GPS, ГЛОНАСС, Galileo, Beidou, QZSS, NavIC и SBAS на частотах L-каналов, параллельная регистрация с защитой от переполнения диска 40 каналов данных RINEX, BINEX, NMEA, NSM и собственного формата Septentrio Binary Files (SBF). Пользователю доступен ftp-сервер и фирменный веб-интерфейс. Корпус имеет встроенный AC/DC-преобразователь, интерфейс USB, Ethernet, может оснащаться встроенной батареей. Подробности приведены в табл. 3.

В режиме стационарной станции опорной навигационной сети (CORS) обеспечивается точность определения несущей частоты 1,0...1,3 мм при периодичности обновления данных 100 Гц. Параметры PolaRx5TR для приложений, связанных с трансляцией времени и частоты, полностью соответствуют Рекомендациям 4 и 5 (2015) Консультативного комитета по времени и частоте CCTF.

«Умные антенны»

Компактный комбинированный прибор Altus NR3 обеспечивает необходимый для геодезических работ набор функций с сантиметровой точностью позиционирования в состоянии поставки и легко интегрируется в геоинформационные системы. Его размеры: диаметр наибольший – 167 мм, высота – 69 мм, вес, включая батареи, – 0,82 кг. Корпус имеет пылевлагозащиту уровня IP67 (рис. 9).

В максимальной конфигурации «умная антенна» обладает следующим функционалом:

• приёмник сигналов спутниковых группировок ГНСС: SBAS, ровер DGNSS , ровер RTK , выход поправок RTK(база), GPS (L1, L2, L5), ГЛОНАСС (L1, L2, L3), Galileo (E1, E5, AltBOC), Beidou (B1, B2);
• выход «сырых данных»;
• модули GSM/GPRS 2G/3G/4G в зависимости от региона, Bluetooth и Wi-Fi;
• частота обновления данных 20 Гц;
• полный доступ к конфигурированию через веб-интерфейс;
• порт RS-232:
• встроенная батарея;
• разъём питания.

Антенны 

Антенны в прочных, защищённых от атмосферных воздействий корпусах сопрягаются с оборудованием Septentrio и предназначены для уверенного приёма сигналов ГНСС GPS, Galileo, ГЛОНАСС, Beidou, QZSS, NavIC и SBAS. 

Модельный ряд включает в себя:

• низкопрофильные антенны с экраном для работы на подвижных объектах: PolaNt MC с усиленным алюминиевым основанием корпуса, PolaNt-x MF (рис. 10);
  
• кольцевые дроссельные антенны для геодезических задач: PolaNt Choke Ring B3/E6 с возможностью приёма сигналов Beidou B3 и Galileo E6 выполнена из алюминия, VeraChoke с защитой уровня IP67 (рис. 11);
  
  
• компактные специализированные антенны, включая пластинчатые (patch) и спиральные.

Специализированное программное обеспечение

Получить максимальный технический и коммерческий эффект от заложенных в продукции Septentrio решений позволяет богатый набор программных средств, предлагаемый производителем. ПО разного уровня и производительности выполняет широкий спектр задач: от автоматизации приёма и отображения навигационных данных в реальном времени до углублённого анализа и постобработки накопленных массивов информации. 

RxTools – представляет собой набор пользовательских графических интерфейсов (GUI) для работы со всеми моделями приёмников Septentrio. Эти инструменты были разработаны для того, чтобы позволить пользователю получить максимальную отдачу от приёмника. Каждая подсистема предлагает интуитивно понятный интерфейс и обеспечивает визуализацию и преобразование данных ГНСС в соответствии с задачами и потребностями. Программные инструменты RxTools помогают обеспечить плавную интеграцию приёмника, а также непрерывный мониторинг и анализ всей клиентской системы ГНСС.

PP-SDK – набор для создания собственных программных средств пост­обработки данных ГНСС имеет следующие готовые блоки и подсистемы, которые пользователь может адаптировать под свой проект. В его состав входят:

• API – интерфейс прикладного программирования, позволяет создавать приложения для предварительной обработки входных файлов SBF, управления расчётом PVT с помощью команд, аналогичных командам приёмника, и для анализа полученных выходных файлов SBF; 
• Post Processing Engine – основной механизм постобработки, который реализует автономные навигационные решения, решения SBAS и RTK PVT с использованием данных GPS/ГЛОНАСС;
• Модуль RINEX – преобразовывает файлы наблюдений и навигации RINEX 2.1 и RINEX 3.0 в SBF, работает с данными геостационарных спутников GPS, ГЛОНАСС и SBAS;
• BaseFinder – подсистема автоматического поиска в Интернете наиболее подходящей поправки к клиентскому входному файлу для конкретной опорной станции. Доступна через API или графический интерфейс пользователя;
• модуль SBF Stream – предоставляет богатый набор функций объединения, обработки файлов SBF для расчёта PVT;
• PostNav – графическое приложение для удобного взаимодействия с функциями постобработки;
• библиотеки – предоставляются как динамические, так и статические.

PinPoint-GIS – мощное, простое и гибкое ПО для сбора геоинформационных данных. Обеспечивает точное и надёжное позиционирование по ГНСС с функциями ГИС в любое время, на любой платформе, в любом месте. Доступна браузерная версия и приложение для смартфонов. Реализован доступ к облачным серверам и к онлайн-сервису ArcGIS компании Esri.

GeoTagZ – программный инструмент для геопривязки и постобработки данных ГНСС, позволяющий с RTK получить сантиметровую точность аэрофотосъёмки при использовании аппаратуры Septentrio. В случае съёмки с БПЛА при этом не требуется ни установки наземных контрольных точек, ни внесения коррекций по RTK в реальном времени. Реализована простая интеграция с внешними источниками графической информации.

Стремясь своевременно отвечать потребностям рынка, Septentrio активно сотрудничает с другими мировыми лидерами с целью создания уникальных аппаратных решений, эффективных алгоритмов, программ и средств интеграции инерциально-спутниковых навигационных решений для всё расширяющегося круга применений. Среди таких проектов можно отметить совместные работы с Analog Devices, SBG Systems, FUGRO, ArduSimple, XenomatiX. Это, в частности, специализированная компактная версия приёмника для БПЛА со встроенной МЭМС ИНС, сопряжение приёмника ГНСС и ИНС с лидаром, интеграция со спутниковым сервисом для морской навигации, модульные системы позиционирования «из коробки» (plug-and-play) для таких платформ, как Arduino, STM Nucleo, Raspberry Pi, Ardupilot, Nvidia Jetson и др.

Объём статьи не позволяет дать исчерпывающую информацию по каждому упомянутому изделию и программному продукту, тем более что стремительно развивающиеся технологии опережают скорость набора очередного номера. Встретимся в Интернете.

Литература

1. Сompass museum // URL: https://compassmuseum.com/diverstext/cardinals_d.htm.
2. NAIO Technologies // URL: https://www.naio-technologies.com/en/dino/.