Спутниковая навигация для каждого

Спутниковые навигационные системы

На территории России сейчас возможно использование сигналов двух глобальных спутниковых навигационных систем: российской системы ГЛОНАСС и системы NavStar (США), также известной как GPS (Global Positioning System).

ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система) и NavStar разрабатывались для военной навигации и кораблевождения, но в 90х годах были открыты для гражданского применения. Они создавались параллельно и технологически очень похожи друг на друга: спутниковая группировка ГЛОНАСС должна состоять из 24 спутников, расположенных на орбитах на высоте 19 тыс. километров. В момент запуска группировка GPS также состояла из 24 спутников на орбитах в 20 тыс. километров, но потом для большей точности и надёжности была доведена до 32 аппаратов.

24 спутника — минимальное число, необходимое для уверенной навигации в любой точке Земного шара. На 30.1.2009 г группировка ГЛОНАСС находится на этапе развёртывания, запущено 20 спутников, из которых 18 используются по целевому назначению. Согласно планам Правительства РФ, спутниковая группировка ГЛОНАСС должна быть полностью введена в эксплуатацию до конца 2009 года.

Эволюция навигационных систем

Навигационные системы, в большинстве случаев, состоят из двух подсистем — подсистемы определения местоположения и подсистемы позиционирования на карте. Наибольшую сложность в создании навигационных приборов представляла система автоматического определения относительных или абсолютных (географических) координат устройства.

Первые автономные навигационные системы были разработаны для легковых автомобилей в начале 80-х годов. Они относились к инерциальным системам, построенным по принципу счисления пути, и базировались на показаниях гироскопов и акселерометров. Для надёжного вычисления местоположения использовалось три гироскопа (датчики угла отклонения) и три акселерометра (датчики ускорения).

Эти системы были сложными и дорогими, кроме того они нуждались в постоянной корректировке вследствие погрешностей измерения величин, связанных с порогом чувствительности датчиков и дрейфом нуля гироскопов.

Электронные системы персональной навигации появились в конце 80-х годов, они использовали сигналы спутниковых навигационных систем и первые цифровые карты. Наибольшее распространение получило навигационное оборудование глобальной спутниковой навигационной системы NavStar. Разнообразие абонентского оборудования и высокая точность сделали GPS-навигаторы востребованным и коммерчески успешным продуктом, одновременно создав целые отрасли — производство устройств навигации и электронных навигационных карт для гражданского применения.

Их развитие началось в 2000 году, когда Президент Клинтон снял ограничения на гражданское применение сигналов GPS. В немалой степени развитию GPS-навигаторов способствовал прогресс в электронной и микропроцессорной технике, позволивший создавать компактные и недорогие устройства.

Большая часть массового рынка навигационного оборудования — портативные автомобильные навигаторы. Это специализированные КПК с навигационным ПО, работающие под управлением операционной системы Windows Mobile. В большинстве случаев ОС сконфигурирована в однозадачном режиме. Частота работы процессоров навигационных устройств модельного ряда 2008-2009 гг. (архитектуры ARM) — 400 МГц. Крупные фирмы, специализирующиеся на навигационном оборудовании, выпускают также линейки моделей, предназначенных для крепления на руль велосипеда или мотоцикла.

Тенденция последних лет — конвергенция различных мобильных цифровых устройств. Благодаря миниатюрности GPS-чипсета, его можно встроить практически в любое устройство, например уже серийно выпускаются наручные часы с функцией GPS. Многие модели КПК, сотовых телефонов, смартфонов, коммуникаторов, портативных видеоплееров и нетбуков имеют функцию навигации. Также можно приобрести внешний приёмник с интерфейсом Bluetooth или USB.

Туристические и спортивные навигаторы предназначены для любителей активного образа жизни. Эти модели выполняются в ударопрочных и водонепроницаемых корпусах. В отличие от портативных автонавигаторов, туристические модели не имеют сенсорного экрана и управляются кнопками. Отличительная особенность этих моделей — длительное время автономной работы — до нескольких суток.

Отдельных класс навигационных устройств — профессиональное оборудование для грузового и пассажирского автотранспорта, железнодорожного, авиационного транспорта, речных и морских судов. Оборудование этого класса очень разнообразно — от модулей систем мониторинга транспорта до многофункциональных навигационных комплексов.

Портативные навигаторы

Портативные автомобильные навигаторы — упрощенная версия КПК. В английской терминологии автонавигаторы называются PND (Personal Navigation Device). Это компактные устройства с цветным сенсорным экраном, оптимизированные для работы с навигационной программой. Навигатор получает питание от бортовой сети автомобиля, среднее время работы его работы от встроенного аккумулятора в автономном режиме — 3-4 часа.

Стоит отметить, что есть ещё две разновидности автомобильных навигаторов — интегрируемые и стационарные системы. Интегрируемые системы — мультимедийные центры и автомобильные компьютеры (CarPC) с функцией навигации. Штатные системы — автомобильные мультимедийно-навигационные комплексы на основе бортового компьютера, устанавливаемые в автомобилях высокого класса.

Навигационная система предназначена для определения географических координат автомобиля и позиционирования его местоположения на электронной карте. Обрабатывая данные, навигационная программа прокладывает оптимальный маршрут движения к месту назначения с учётом особенностей дорожной сети. Модели навигаторов, оснащенные GPRS-модемами, могут учитывать в расчётах информацию о дорожной ситуации, погодных условиях и ремонтных работах.

В процессе движения электронная карта обновляется, экран отображает виртуальную перспективу маршрута и различные объекты инфраструктуры, а система голосовой навигации информирует о необходимых манёврах.

Кроме навигационного ПО, портативные автонавигаторы также комплектуются мультимедийным плеером для аудио, видео, графических и текстовых файлов, а у крупных производителей — и различными утилитами, рассчитанными на путешественников: калькуляторами, всемирными часами, гидами и электронными разговорниками. Многие навигаторов поддерживают также функцию hands free (Bluetooth).

В плане навигации и удобства использования портативные навигаторы практически идентичны КПК с установленной навигационной программой, кроме этого, многие модели комплектуются стилусом для более удобного управления. Так как многие КПК оснащены GPS-модулями, большинство навигационных программ существует в двух версиях — для автомобильных навигаторов и КПК.

Для загрузки в навигатор картографической информации и новых версий навигационного ПО используется USB-интерфейс.

Классификация портативных навигаторов

Классификацию автомобильных навигаторов удобнее всего проводить по техническим характеристикам и цене (рис. 1). Большинство фирм-производителей использует одну аппаратно-программную платформу для всех выпускаемых навигационных устройств. Автонавигаторы разных классов отличаются друг от друга размером экрана, количеством интерфейсов и дополнительным ПО.

Навигаторы начального уровня — простые и недорогие модели с экраном 3,5". По навигационным функциям они полностью идентичны старшим моделям продуктовых линеек.

Автонавигаторы бизнес-класса характеризуются большим размером экрана — 4,3" (11 см) и часто имеют функцию hands free. Это наиболее массовые модели благодаря сбалансированному отношению удобства использования и цены. Они удобны для водителя, много времени проводящего за рулём: крупное изображение карты легко читается, кроме этого портативный навигатор может заменить комплект громкой связи и является небольшим мультимедийным центром.

Портативные навигаторы премиум-класса — широкоформатные модели с размерами экрана 4,3" и 7", оснащённые hands free, FM-трансмиттерами, и в ряде случаев — Wi-Fi и GSM-модулями. Многие из них имеют возможность подключения камеры заднего вида.

Исследование, проведенное компанией «Современные Телекоммуникации» показало, что в РФ наибольшая доля рынка у устройств, имеющих размер экрана 4,3". На рис. 2 представлено распределение количества моделей портативных навигаторов по размерам экрана на российском рынке (по состоянию на июль 2008 г.).

Особенности российского рынка портативных навигаторов

Рынок гражданского навигационного оборудования в России находится на этапе формирования, но очень быстро развивается — удваиваясь в количественном выражении ежегодно с 2006 года, и достиг в 2008 году объёма 150-160 тыс. штук.
Рынок портативных навигаторов в нашей стране имеет заметные особенности: в первую очередь это большое количество автонавигаторов локальных марок, которые производятся по OEM-контрактам в КНР. Дизайн для навигаторов разработан российскими компаниями, они поставляются только в Россию. Другая особенность — отечественное навигационное ПО, которое превосходит заграничные разработки по степени проработки карт и частоте обновления информации для территории РФ.
В США и Европейских странах большая часть рынка портативных навигаторов (75 %) занимают три компании — Garmin, TomTom и MiTAC. В России продукция Garmin также пользуется популярностью: линейку навигаторов компании отличает большой выбор моделей, многолетняя история торговой марки и качественная картографическая поддержка. Также популярны навигаторы MiTAC и отечественные JJ-Connect, быстро набирает известность продукция Voxtel.
Портативные автомобильные навигаторы занимают в России долю в 80% от общего количества мобильных навигационных устройств, потеснённые КПК и мобильными телефонами с GPS-модулями. Стоит отметить, что на данный момент в России смартфонов с GPS-чипами продаётся уже больше, чем специализированных навигационных устройств. Но при этом большинство покупателей используют аппараты по прямому назначению, не задействуя этот функционал.

Заключение

Рынок персональной навигации бурно развивается, технические характеристики навигаторов быстро совершенствуются, а цена неуклонно снижается. Учитывая эти факторы и появление качественных и детализированных карт большинства крупных городов нашей страны, можно уверенно прогнозировать быстрый рост рынка весной-летом 2009 года.

Бонус — Приложение.

Для тех кто дочитал текст до конца.

Принципы спутниковой навигации

Из-за различных моделей, положенных в основу спутниковых систем, координаты в них немного отличаются друг от друга, по этой причине навигационное оборудование имеет возможность преобразования абсолютных координат в местные системы.
Высоты рельефа Земли и разнообразных объектов отсчитываются от поверхности геоида (уровень Мирового океана). ГЛОНАСС базируется на системе общеземных пространственных координат ПЗ-90 (Параметры Земли 1990 г.), в основу которой положен эллипсоид Крассовского (1940 г.). В нашей стране используется единая система координат 1942 года, в высотном отношении точки нивелируются в Балтийской системе высот (от нуля Кронштадтского футштока).

Спутниковая система NavStar использует систему координат WGS-84 (World Geodetic System 1984), основанную на эллипсоиде Хейфорда (1910 г.). Для соответствия российской сети координат в приёмник GPS необходимо вводить сдвиг — порядка 150 м.
В основе спутниковой навигации лежит принцип триангуляции — для определения местоположения точки в трёхмерном пространстве достаточно знать положение и расстояние до трёх других точек. Спутники непрерывно передают повторяющийся кодированный сигнал, содержащий данные о самом спутнике и его орбите. Сигналы всех спутников синхронизированы, благодаря этому можно определить расстояние до каждого из них по временному сдвигу сигнала.

Анализируя эти данные, навигационный чипсет (например, SiRF Star III) вычисляет свои географические координаты и высоту. Накапливая и обрабатывая информацию, можно вычислить скорость движения и пройденный путь. Одновременно это повышает точность определения координат, уменьшая случайные погрешности, вызванные искажением навигационных сигналов в атмосфере.

Цифровая навигационная картография

Важная составляющая любого навигатора — цифровая карта. Как отрасль, цифровая навигационная картография сформировалась в 2007 году, когда было отменены законодательные ограничения на определение точного местоположения (с точностью менее 30 м) и использование детализированных электронных карт.

Картографические работы по созданию навигационных карт требуют больших финансовых ресурсов, поэтому на данном рынке работает всего несколько крупных компаний. В отличие от векторной топографической карты, у навигационной есть дополнительные информационные слои — дорожная разметка, скоростной режим, знаки, различные объекты инфраструктуры, необходимые для маршрутизации по карте.

В немалой степени росту рынка цифровой картографии способствовала ориентация министерств и ведомств на развитие различных IT-технологий в рамках национальной программы «Электронная Россия», активизация программы ГЛОНАСС и широкое обсуждение инновационных технологий на правительственном уровне.

Сильное преимущество отечественных навигационных программ — адресный поиск по карте. Исторически в России сложилась нелинейная система адресации — дома идут не по порядку, имеют множество корпусов и строений, зачастую сдвинуты относительно друг друга на противоположных сторонах улицы. Сейчас адресными базами обеспечены всего несколько сот крупных населённых пунктов, в менее крупных городах и посёлках маршрут можно проложить только до центральных улиц и шоссе, проходящего через него.
В большинстве навигационных программ используется картографические данные компаний NAVTEQ и Tele Atlas, которые имеют карты большинства стран мира. В России наибольшей популярностью пользуются навигационные программы «Автоспутник» (на картографической основе Tele Atlas) и «Навител Навигатор» («Роскартография»), а также фирменные карты Garmin — «Дороги России», которые разрабатывает компания «Навиком».

В 2008 году все эти компании завершили разработку карт большинства регионов России.
 

© СОТОВИК