Навигационная система
Материал из Jc Wiki
Система GPS (Global Positioning System - система глобального позиционирования) разработана американскими специалистами и вначале использовалась исключительно в военных целях. Впоследствии доступ к системе GPS была открыт и для гражданских пользователей.
Содержание |
Немного истории
Автомобильные навигационные системы известны довольно давно: идеи о них начали витать в воздухе, как только появились компьютеры, размеры которых позволяли перемещать их на транспортных средствах. Конкретные же очертания подобные системы приняли с момента возникновения глобальной навигационной системы NAVSTAR, позволившей с помощью DGPS определять координаты любого объекта на земной поверхности с точностью до 2—3 метров.
В англоязычной литературе автомобильные навигационные системы называют либо: Auto-Pilot System (APS), либо Automatic Vehicle Locator (AVL), либо Car Navigation System (CNS)
Японцы признают, что концепция автомобильной навигационной системы зародилась в Европе, от которой Япония, несмотря на очевидный прогресс в этой области, отставала вплоть до 1996 г.
К середине 90-х годов определились основные игроки рынка АНС — ими стали европейские компании Bosch, Philips, Blaupunkt и японские Etak, Sony, Alpine и Pioneer.
Первой ласточкой интеллектуальных транспортных систем в Японии стал проект “Полнофункциональная система управления автомобилем” (Comprehensive Automobile Control System — CACS), разрабатывавшийся Министерством международной торговли и промышленности Японии в период с 1973 по 1978 год, оценивался в 73 млн. долл. и заложил основы дальнейшего развития подобных продуктов. По его окончании некоторые наработки были использованы Министерством строительства Японии в проекте “Система автомобильной коммуникации на дорогах” (Road Automobile Communication System — RACS) и полицией страны для управления трафиком и обеспечения связи между полицейскими машинами.
Позднее результаты проведённой работы были интегрированы в рамках “Системы автомобильной информации и связи” (Vehicle Information and Communication System — VICS), обеспечивающей водителя информацией о трафике на дорогах и планирующей оптимальный маршрут.
Система стала доступной для потребителей в апреле 1996 г. К тому времени Япония имела на дорогах 67 млн. автомобилей, и эта поистине безграничная толпа потенциальных потребителей провоцировала яростную конкуренцию за место под солнцем. Как и любая конкурентная борьба, она приводила к снижению цен и появлению технических и технологических инноваций.
Одной из причин бурного развития автомобильных навигационных систем в Японии и внимания государства к этой отрасли является то, что проблемы дорожного движения в этой стране не могут быть решены лишь путём улучшения автодорог и увеличения их числа, поскольку земля здесь очень дорога, а строительство требует значительного времени. По мнению японцев, оптимизация маршрута каждого автомобиля будет способствовать снижению усталости водителей и в конечном итоге — уменьшению количества аварий и дорожно-транспортных происшествий. Дополнительным преимуществом может быть более эффективное использование топлива (а это также больная тема в бедной ресурсами Японии) и улучшение экологической ситуации. Осознав, что АНС могут сыграть значительную роль в решении всех этих проблем, Япония начала их активное, всячески поддерживаемое государством внедрение, и к 1997 г. в стране было продано более 1 млн. автомобильных навигационных систем. По данным компании Matsushita Electric, годовая ёмкость рынка АНС составила 460 тыс. систем в 1997—1998 гг. и 500 тыс. в 1998—1999-м, в 1999—2000 гг. — 600 тыс. систем.
Типы АНС
Типичная автомобильная навигационная система состоит из компьютера с CD-ROM или DVD, цветного жидкокристаллического дисплея, GPS-приёмника, датчика пройденного расстояния и гироскопа. Многие АНС могут также принимать телевизионные сигналы и проигрывать музыкальные компакт-диски.
Основные функции этих продуктов заключаются в определении положения автомашины и руководстве водителем на маршруте. Последнее включает обеспечение водителя картой, вычисление расстояния и пути к месту назначения, определение и отражение на карте оптимальных маршрутов, голосовые указания и показ на дисплее поворотов и перекрестков.
На базе классификации известного японского специалиста доктора Д. К. Каханера (D. K. Kahaner), выделяют пять поколений АНС.
- Нулевое — ещё не автомобильные навигационные системы в современном понимании, а лишь воплощение первых идей и зачатков технологий. Нулевое поколение АНС использовало носители на магнитных лентах для записи карт. Сами карты были очень приблизительными и покрывали небольшие территории.
- Первое (1987 г.) — “традиционная” навигация. Отличается от предыдущего поколения тем, что в качестве носителя картографической информации в нём стали использовать CD-ROM; положение автомобиля на карте, которое в нулевом поколении навигационных систем нужно было определять путём внимательного изучения пейзажа за окном, теперь определялось с помощью датчиков — геомагнитного сенсорного устройства, датчика скорости и гироскопа; качество карт также улучшилось.
- Второе (1988 г.) — “традиционная” навигация с обратной связью. В навигационных системах этого поколения появилась возможность поиска пункта назначения (Map Matching), выдачи голосовых инструкций водителю и дополнительной информации о гостиницах и заправках.
- Третье (1990 г.) — “гибридная навигация”. В качестве инструмента определения местоположения автомобиля помимо датчиков стали использовать GPS. К информации, учитываемой при планировании маршрута, добавилась информация о трафике и о погодных условиях, включая прогноз погоды.
- Четвертое (1998—1999 гг.) — навигация “new age” (“новое поколение”). В последнее время появилось множество новинок, выводящих автомобильные навигационные системы на более высокий технологический уровень: это подкачка дополнительных карт через Интернет; возможность управлять автомобилем с помощью голоса; использование DVD в качестве носителя картографической информации.
Существует два типа автомобильных навигационных систем для руководства водителем на маршруте: с демонстрацией карты и без оной. Исследования по некартографическим, “слепым” системам более активно проводятся в Европе и Америке, где разглядывание карты во время движения автомобиля считается опасным. В Японии же полагают, что если выбор маршрута осуществляется системой качественно, то для того, чтобы привести машину к месту назначения, обычно не требуется частой демонстрации простых карт.
Второй тип (ведение водителя по маршруту с показом детальных навигационных карт). Требует наличия качественного дисплея, который показывает текущее положение автомобиля, место назначения, маршрут, направление к месту назначения и т. д. Вся эта информация накладывается на базовую карту местности с нанесёнными на неё автодорогами и помогает водителю выбирать правильные повороты при движении. АНС этого типа широко распространены в Японии.
Проблемы позиционирования
По методу позиционирования автомобиля современные автомобильные навигационные системы можно классифицировать следующим образом:
- навигация спутникового типа;
- навигация с помощью датчиков;
- гибридная навигация, использующая оба типа.
Спутниковая навигационная система, используя электронные карты, хранящиеся на CD-ROM или DVD, определяет местоположение на базе сигналов глобальной системы позиционирования NAVSTAR, которая была создана Министерством обороны США в 1970-х годах и представляет собой систему из 24 спутников, находящихся на шести круговых околоземных орбитах с периодом обращения 12 часов, и GPS-приёмников. Орбиты спутников рассчитаны таким образом, чтобы с любой точки Земли в любое время суток было видно не менее четырёх спутников. Каждый GPS-приёмник, получая специальный навигационный сигнал, вычисляет расстояние до каждого из видимых спутников, измеряя время прохождения радиосигнала от спутника до приёмника. После этого он путём триангуляции определяет свои пространственные координаты (широту, долготу и высоту над уровнем моря).
Так как система NAVSTAR изначально создавалась для военных целей, Министерством обороны США было разработано два кода (режима): военный и гражданский. GPS-приёмник, использующий гражданский код, определяет координаты с точностью 100 метров. Более точному определению мешают многочисленные факторы, искажающие принимаемые данные: задержка радиосигналов при распространении в ионосфере и атмосфере, неточное измерение времени, переотражение радиосигналов от различных поверхностей. Кроме того, часть информации, получаемой гражданскими GPS-приёмниками, искажается преднамеренно с целью предотвращения их использования в военных целях другими странами.
Возможность повышения точности определения координат связана с применением дифференциальных GPS (DGPS). Очевидно, что многие ошибки одинаковы для GPS-приёмников, расположенных в пределах нескольких сотен километров друг от друга. Один из таких приёмников, называемый опорной станцией, располагается в месте, координаты которого определены точно. Сравнивая известные координаты с измеренными, GPS-приёмник вырабатывает поправки, и затем передает их по радиоканалу потребителям для уточнения своих координат.
Казалось бы, кому и зачем могут понадобиться датчики измерения пройденного автомобилем расстояния и гироскопы, если определить географические координаты любого объекта (а также его скорость, направление движения и многие другие параметры) не составляет особого труда. Проблема, однако, заключается в том, что для того, чтобы система работала, нужно иметь в зоне прямой видимости не менее трёх спутников NAVSTAR одновременно — а в городах, застроенных высокими зданиями, это практически невозможно. Кроме того, сигнал, многократно отражаясь от стен и крыш домов, искажается. А в туннелях GPS вообще не работает. Но у спутниковой навигации есть свои преимущества: GPS легко установить на автомобиле, ошибки при её использовании не накапливаются, DGPS обеспечивают высокую точность позиционирования и цена на GPS сейчас более чем приемлема.
Система определения местоположения автомобиля, основанная на применении датчиков, находит географические координаты по показаниям гироскопа, определяющего направление движения автомобиля и датчика расстояний, поэтому ошибки накапливаются. Таким образом, чем более длительный путь проделал автомобиль, тем больше вероятность значительной ошибки в определении координат и, следовательно, в руководстве водителем на маршруте. Гибридные системы используют оба типа позиционирования, что позволяет избежать большинства проблем.
Автомобильная навигация в России наталкивается на непреодолимые трудности, выставляемые законом о секретной информации: GPS с точностью выше 30 метров в России применять нельзя, карты 1 : 50 000 и более подробные считаются абсолютно секретными, а для навигационных целей нужны карты масштаба как минимум 1 : 25 000.
