Навигатор представляет собой мобильное устройство, способное определять географические координаты текущего местоположения по радиосигналам, принятым от спутниковой группировки. Найденное местоположение соотносится с картой местности и выводится на дисплей навигатора.
В большинстве случаев пользователю для определения своего местонахождения достаточно знать точные координаты широты и долготы – вычисление их и является основной функцией навигатора. Кроме того, такие устройства могут определять высоту над уровнем моря, указывать точное время, ориентацию по сторонам света, текущую скорость, пройденное расстояние и среднюю скорость вашего движения. Навигаторы, оснащенные специальным ПО, способны рассчитывать оптимальные маршруты передвижения, они также могут предоставлять пользователю сведения о различных объектах, занесенных в базу данных и отмеченных на карте, и передавать актуальную информацию о ситуации на дороге (пробки, дорожные работы и пр.).
Навигаторы обычно подразделяются по типам транспортных средств, на которых они используются: авиационные навигаторы, морские картплоттеры, авто- и мотонавигаторы, спортивные и туристические навигаторы.
Военные технологии в мирных целях
Наблюдая за бурным развитием GPS-навигаторов, мы иногда с сожалением отмечаем, что нашим гражданам, как, впрочем, и населению других стран, приходится пользоваться американской системой спутниковой навигации, хотя в свое время у СССР были все возможности для создания своего собственного решения. Именно наша страна оказала решающее влияние как на само создание GNSS, так и на непростой процесс передачи этой военной технологии гражданским организациям и физическим лицам.
От первого спутника до «Боинга 747»
Если обратиться к истории создания GNSS, мы увидим, что американцы и англичане начали разрабатывать наземные радионавигационные системы еще в самом начале 1940 годов: проекты LORAN (Long Range Navigation) и Decca Navigator использовались военными в ходе Второй мировой войны. Однако настоящим прорывом стало осознание того, что навигационная система должна базироваться на космических технологиях, а пришло оно после запуска в СССР первого искусственного спутника Земли. Тогда, в далеком 1957 году, группа американских ученых во главе с доктором Ричардом Б. Кершнером тщательно следила за сигналом советского спутника. Они обнаружили, что благодаря эффекту Доплера, частота транслируемого сигнала увеличивается при приближении спутника и уменьшается при его отдалении. Зная свое точное местонахождение на Земле, можно рассчитать положение и скорость спутника на орбите. А главное, верно и обратное утверждение: зная точное местоположение спутника, можно рассчитать свое местонахождение на Земле и скорость передвижения.
Первая спутниковая система NAVSAT (Navy Navigation Satellite System) разрабатывалась военно-морским ведомством США и была протестирована уже в 1960 году – она предназначалась для определения местоположения подлодок с баллистическими ракетами на борту. Система GPS обязана своему появлению военно-воздушным силам. Прототипы первых GPS-приемников были испытаны в 1972 году, а в 1978-м был запущен первый экспериментальный спутник Block-I.
Переломным оказался 1983 год, когда корейский «Боинг 747» вторгся в воздушное пространство СССР и был сбит истребителем Су-15. Пассажирский самолет сбился с курса из-за ошибок в навигационной системе. На лайнере находились 269 человек, включая 62 гражданина США, – все они погибли. Президент США Рональд Рейган выпустил соответствующую директиву, чтобы немедленно можно было предоставить всем гражданским организациям доступ к спутниковой системе GPS, как только она полностью войдет в строй. Произошло это в 1993 году, правда, точность навигации для гражданских целей составила 100 м вместо возможных 10. Избирательная доступность (SA) была отменена только в 2000 году.
Задачка для школьников
В основу работы GNSS положены простые принципы, которые поймет каждый, кто изучал в школе геометрию. Предположим, что имеются данные о расстоянии до спутника: нарисуем сферу с заданным радиусом – мы окажемся на поверхности этой сферы. Теперь возьмем данные о расстоянии до другого спутника и нарисуем вторую сферу: при пересечении этих двух сфер образуется круг, в котором мы и находимся в настоящий момент времени. Чтобы определить точно наше положение, необходимо получить расстояние до третьего спутника и нарисовать третью сферу: пересечение трех сфер дает нам две точки – одна из них ложная и может быть отброшена, так как она имеет высокую скорость перемещения, или находится над или под поверхностью Земли. Таким образом, зная расстояние до трех спутников, можно вычислить координаты опре деляемой точки. Если вам требуется третье измерение (высота над уровнем моря), необходим четвертый спутник. Чтобы точно вычислить расстояние до спутника, необходимо умножить время прохождения сигнала на скорость света. Для этого надо знать, когда сигнал покинул спутник. Как решается эта задача? GPS-приемник и спутник синхронизируют таким образом, чтобы на спутнике и GPS-устройстве одновременно генерировался одинаковый псевдослучайный код (PRN). Каждый спутник передает на частоте L1 (1575,42 МГц) и L2 (1227,60 МГц) PRN-код, статус готовности спутника, дату и время, позиции всех спутников в течение дня и спутников в зоне видимости (так называемый «альманах»). Сигнал L1 имеет два дальномерных кода: P-код и C/A-код (C/A – coarse/acquisition). Точный код (P-код) может быть зашифрован для военных целей, а C/A-код (его называют Gold code – по имени одного из ведущих разработчиков GPS Роберта Голда) открыт для гражданских. Сигнал L2 модулируется только с P-кодом. Ресивер принимает входящий сигнал со спутника и определяет, насколько давно он сгенерировал такой же код. Измеряется временная задержка между одинаковыми участками кода, а полученная разница умножается на скорость света – все, эта часть задачи решена. Теперь GPS-приемнику остается вычислить свое положение на поверхности Земли, опираясь на полученные данные о расположении спутников (эфемериды).
Сверим часы
Проблема заключается только в том, что вычисления напрямую зависят от точности хода часов: код должен генерироваться на спутнике и GPS-приемнике в одно и то же время. На спутниках установлены атомные часы, имеющие точность около одной наносекунды, но если мы установим такие же часы на каждое GPS-устройство, его стоимость будет космической. Поэтому необходимо другое решение – наличие четвертого спутника, измерения которого будут использованы для устранения ошибок, возникающих в том случае, если часы на спутнике и в приемнике не синхронизированы.
Для работы навигационной системы GPS необходимо наличие на орбите 24 рабочих спутников с орбитальным периодом 12 часов на высоте 20 200 км от поверхности Земли. Однако не всегда рабочие спутники могут обеспечить уверенный прием, поэтому для увеличения точности позиции и резерва на случай сбоев общее число спутников должно быть больше – до 32 единиц.
Аугментация – белая магия GPS
В теории все выглядит логично, но на практике мы сталкиваемся со многими трудностями, мешающими работе системы. Например, скорость света остается константой только в вакууме, а когда сигнал проходит через ионосферу и тропосферу, его скорость уменьшается, что приводит к ошибкам в измерении расстояния до спутника. Без дополнительных методов коррекции тут не обойтись: они были разработаны и получили название методов аугментации.
Одним из примеров таких методик является система Differential GPS (DGPS). В ней используются координаты от двух GPS-приемников – рабочего и эталонного (установлен в месте, координаты которого измерены с высокой точностью). Оба устройства пеленгуют GPS-спутники в один и тот же промежуток времени, что дает возможность вычислять поправки и доводить точность до 3-5 м.
А вот другая методика аугментации вообще не нуждается в дополнительном оборудовании – это система WAAS (Wide Area Augmentation System) с точностью позиционирования менее трех метров. WAAS охватывает только США и включает 25 наземных станций, отслеживающих сигналы со спутников, а также две головные станции (по одной на побережье), которые вырабатывают поправки на основе данных от всех остальных.
Навигатор – это не роскошь
Сейчас в это сложно поверить, но всего каких-то пять лет тому назад вся деятельность, связанная со спутниковой навигацией, проходила на полулегальных основаниях. GPS-устройства ввозились в Россию «серыми дилерами» и продавались на рынках вроде «Горбушки», без каких-либо сертификатов и гарантийных обязательств. Фактически любой человек, покупавший для себя GPS-навигатор, нарушал закон. И дело здесь не только в использовании нелегального радиоустройства, но и в самом принципе его применения. В соответствии с Федеральным законом «О государственной тайне» любые данные о местонахождении (координаты), определенные с точностью 30 м и точнее, являлись сведениями, составляющими государственную тайну.
Только с 1 января 2007 года законодательство было изменено, и стало возможным определение истинных координат на местности с точностью до 30 м. Так что теперь западные производители навигационной техники начали официальные поставки в Россию своей продукции. Конечно, наш «белый рынок» GPS-устройств пока еще далек от американского и европейского, где вы можете найти любые модели множества крупных компаний. Однако одина из самых мощных и известных в мире производителей навигационной техники – компания Garmin
ЕСТЬ ЛИ СМЫСЛ ПЕРЕПЛАЧИВАТЬ ЗА БРЕНД?
Этот вопрос задает себе каждый разумный покупатель. В самом деле, почему мы призываем покупать модели от Garmin, но равнодушно проходим мимо CARMANi или teXet? Ведь известно, что российская компания teXet собирает свои навигаторы из импортных деталей, а качество сборки у нее никак не хуже любой китайской компании. Неужели мы платим лишние деньги только за привычную марку?
 Попробуем ответить. Представьте себе американскую компанию, которую основали ученые, пилоты и инженеры, имевшие непосредственное отношение к разработке системы NAVSTAR. Компанию, которая начинала разработку своих навигаторов с нуля, когда еще никто не думал о коммерческом применении этой технологии, и которая последовательно прошла все этапы – от концепции до разработки действующих моделей. Компанию, которая, благодаря своим тесным контактам с оборонными ведомствами США, постоянно держит руку на пульсе времени и имеет возможность совершенствовать свое оборудование, дополняя его все новыми и новыми функциями. Так вот, эта компания называется Garmin – она занимает в мире навигаторов примерно такое же положение, как Nokia в мире сотовых телефонов. Конечно, на бренде всегда можно сэкономить, но среди производителей автонавигаторов есть несколько достойных уважения компаний, которые сделали себе имя вовсе не за счет рекламной шумихи.
 Карты Молдовы составлялись и постоянно корректировались в течение многих лет. Поэтому при покупке автонавигатора обязательно обращайте внимание не только на изготовителя устройства, но и на разработчика карт.
Получить все или только самое необходимое
На какие особенности устройства необходимо обратить особое внимание при выборе авто-навигатора?
На характеристики центрального процессора и модель чипа GPS. Разумеется, ваш навигатор не предназначен для кодирования видео и работы в Photoshop, да и двигаясь в московской пробке со скоростью пешехода и глядя на медленно дрейфующее изображение карты, вы начинаете думать, что этому устройству совсем не нужен быстрый процессор.
Однако примите во внимание следующие факты: современные карты перегружены огромным объемом информации, к тому же теперь их стали делать и в 3D-формате, так что для быстрой прорисовки изображения хороший процессор не помешает. К тому же дорожные условия могут быть различными: на горном серпантине, например между Туапсе и Сочи, шоссе временами петляет так, что машине приходится делать разворот на 180° через каждые 200-300 м. Навигатор с медленным процессором (меньше 400 МГц) просто не будет успевать перерисовывать карту местности на большом экране.
Чип GPS имеет определяющее значение для всей системы навигации. Мы рекомендуем выбирать устройства, на которые установлен 20-канальный SiRFstar III. В нем реализованы технологии, увеличивающие производительность системы: SnapLock обеспечивает захват спутника за 0,1 с, что необходимо для автомобилей, проходящих под мостами и через туннели; SingleSat прогнозирует местоположение приемника, когда виден хотя бы один спутник; Dual Multipath игнорирует паразитные сигналы, образованные отражением основного сигнала спутника от высотных зданий; FoliageLoc позволяет принимать ослабленный сигнал. В чипсете SiRFstar реализована поддержка аугментационных технологий WAAS, EGNOS и DGPS и режима энергосбережения, при котором электроника приемника «засыпает» на 800 мс из каждой секунды, а за оставшиеся 200 мс выполняет собственно поиск спутников, прием данных и вычисления.
На заметку.
Некоторые современные автонавигаторы помимо выполнения своих основных функций позволяют не только слушать музыку, но и просматривать фотографии и фильмы, редактировать текстовые документы и запускать компьютерные игры. Однако при покупке GPS-навигатора не стоит особо обращать внимание на функции развлечения – помните, что вы приобретаете этот прибор для навигации.
На наличие аккумулятора. Есть такие модели автонавигаторов, которые работают только от внешнего источника питания, например CARMANi CX 230 и Garmin nuvi 5000. Если с машиной что-то случится, вы останетесь без навигатора, да и на пешую прогулку такое устройство не возьмешь.
На наличие различных интерфейсов и слотов расширения. Современные навигаторы должны быть оснащены аудиовыходом, портом USB/Mini-USB, слотом для карт памяти (SD/microSD). Хорошо, если у вашей модели будет и Bluetooth-адаптер, как у Garmin nuvi 700, это позволит находить и набирать номера гостиниц, ресторанов, магазинов и т.д., записанные в телефонах или в базе данных объектов POI навигатора. Не помешает и встроенный FM-передатчик, который позволит вам получать информацию о ситуации на дорогах, а также прослушивать навигационные голосовые инструкции и MP3-файлы через автомобильную стереосистему. И каждая кочка на дороге подсчитана
Во всем мире и в России в частности есть достаточно большое количество компаний, занимающихся изготовлением навигационных карт, однако мы советуем ориентироваться на старые, проверенные временем бренды. Дело в том, что картография – это очень трудоемкий и длительный процесс. К сожалению, нельзя просто так взять существующую карту местности и переделать ее для GPS-навигатора. Чтобы картой было действительно удобно пользоваться, ее необходимо связать с огромной базой данных. У компании NAVTEQ, например, в базу входят 260 дорожных атрибутов и миллионы так называемых «точек интересов» (POI – Points of Interest), в том числе государственные учреждения, места отдыха и развлечений, памятники истории, географические объекты, магазины и рынки, транспорт и заправочные станции и т.п. А теперь представьте себе, что все эти объекты, расположенные на карте, постоянно меняются, исчезают старые и появляются новые. Если не отслеживать изменения и не обновлять карту, работать с ней будет невозможно.
Garmin грязи не боится
Для начинающих туристов отлично подойдет самая простая модель туристического навигатора Garmin eTrex H – это компактное (112x51x30 мм) и легкое (150 г) устройство, работающее от двух пальчиковых батареек AA (до 17 часов), является водонепроницаемым в соответствии со стандартом IPX7, поэтому прибор не боится брызг и даже случайных падений в воду. В памяти eTrex H может храниться до 500 путевых точек, а функция TrackBack позволит пользователю без проблем вернуться домой: она переворачивает траекторию и направляет к начальной точке. GPS-приемник навигатора eTrex H поддерживает аугментацию WAAS, которая обеспечивает быстрый поиск спутниковых сигналов и точный расчет местоположения даже под плотными кронами деревьев и в глубоких оврагах, однако действует эта функция только на территории США. Если вы хотите приобрести навигатор с функцией корректировки местоположения для Европы, следует выбирать устройство с поддержкой EGNOS.
Опытным следопытам, привыкшим работать с навигационными устройствами в длительных походах по просторам Молдовы, лучше приобрести что-то более солидное, например приборы Garmin Oregon, – их прочный корпус не боится ударов, пыли, грязи, сырости и воды. Oregon поставляется вместе с картой ТОПО.если установить крупный масштаб, вы увидите на ней затененные контуры рельефа, что придаст реалистичности окружающей местности. Этот навигатор поддерживает файлы GPX Geocaching.com, предназначенные для загрузки координат точек геокэшинга вместе с описаниями, и позволяет просматривать фотографии, сделанные во время путешествий, не только на экране компьютера, но и на 3-дюймовом сенсорном дисплее (240x400 точек). Модель Oregon 300 оснащена встроенным электронным компасом, который выдает информацию об азимуте даже в том случае, если вы неподвижны, и барометрическим альтиметром, фиксирующим изменения давления для точного определения высоты над уровнем моря. Если вставить в устройство карту памяти microSD (слот расположен внутри водонепроницаемого батарейного отсека) с подробными картами дорог, Oregon превратится в автонавигатор. Это устройство позволяет выбрать топографические карты с трехмерной индикацией, чтобы получить представление о рельефе местности, а для любителей морских прогулок разработана картография BlueChart g2 Vision, включающая в себя контуры глубины, навигационные знаки и гавани.
Компания Garmin позаботилась и о велосипедистах, выпустив для них серию навигаторов Edge. Эти устройства измеряют скорость, пройденный путь, время, израсходованные калории, высоту, спуск и подъем, а также записывают данные для последующего сравнения. Все версии модели Edge 705 оснащены встроенным беспроводным датчиком частоты пульса для определения количества сокращений сердечной мышцы в минуту, а в некоторые комплекты входит и датчик скорости/частоты вращения педалей, который крепится к заднему колесу велосипеда.
|
