Навигационные системы в современном мире

Сегмент потребителей включает приемники GPS или ГЛОНАСС и сообщество самих пользователей. Навигационная аппаратура потребителя (НАП) принимает сигналы, обрабатывает их, измеряет и определяет радионавигационные параметры, вычисляет геоцентрические координаты Х, У, Z и на их основе - геодезические координаты и высоту над опорным эллипсоидом в системе координат ПЗ-90 (возможна также работа в системах WGS-84, СК-42, Гаусса-Крюгера и др.), поправку к местной шкале времени Т относительно системного времени GPS ГЛОНАСС и составляющие вектора скорости. Можно выделить следующие виды навигационного оборудования. Это персональные навигаторы, навигаторы для наземного транспорта, Для морских и речных судов, авиации, геодезическая аппаратура, аппаратура функциональных дополнений, аппаратура космического базирования, радиомаяки. Целью работы является анализ систем персонального применения.

В качестве примера можно рассмотреть навигационный приемник NV08C-MCM разработанный компанией "НАВИС". Внешний вид приёмника показан на рисунке 1 Приложения В. NV08C-MCM - это миниатюрный встраиваемый модуль приема сигналов глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). Ключевой особенностью устройства является его способность работать как с ГНСС, которые уже развернуты GPS и ГЛОНАСС, так и с ГНСС GALILEO и COMPASS, а также с сигнала их функциональных дополнений SBAS. NV08C-MCM был разработан для использования в высокопроизводительных приложениях, критичных к стоимости и потреблению энергии:

- в автомобильных и карманных персональных навигаторах;

- спутниковых автосигнализациях;

- в системах наблюдения и безопасности.

Рисунок 6 - Структурная схема приемника NV08C-MCM

NV08C-MCM обеспечивает высокую чувствительность и быстрое получение первого решения навигационной задачи в сочетании с низким энергопотреблением и малыми размерами. Принимаемые сигналы - GPS/GALILEO/COMPASS/SBAS: L1 1575.42 MHz ГЛОНАСС: L1 1597.5…1609.5 MHz, имеет 32 канала слежения. Точность получения навигационных параметров (RMS) составляет:

- в плоскости:

- в автономном режиме 2,5 м;

- в дифференциальном режиме 1 м;

- высоты 3 м;

- скорости 0,05 м/с;

- времени (1PPS) ±25 нс.

Приемник (рисунок 6) имеет интерфейсы 2x RS-232E, I/O порт (1.8...3.3 В CMOS-уровень), - 2x SPI, TWI (I2C совместимый), - 1PPS выдача (CMOS уровень). Частота выдачи данных составляет до 230 400 бит/с. На основании измерений параметров опорного гармонического колебания, формируемого системой ФАП, определяют частоту и фазу несущего колебания спутника. Его уход относительно номинального значения даст доплеровское смещение частоты, по которому оценивается скорость потребителя относительно спутника. Кроме того, фазовые измерения несущей позволяют уточнить дальность до спутника с погрешностью в несколько мм.

Существует большое количество навигационных приемников различных типов. Можно выделить геодезические, авиационные, морские, персональные навигационные приемники. В данной работе ограничимся системами отображения картографической информации персонального назначения. Можно выделить несколько систем такого типа.

Во- первых, это персональные GPS или ГЛОНАСС навигаторы, используемые в первую очередь как автомобильные или туристические навигаторы. Обеспечивают большинство функций предустановленных автопроизводителем устройств, а также имеют некоторые специфические особенности. Их плюсы - компактность, малый вес, возможность переставлять с автомобиля на автомобиль, поэтому для многих лучший GPS навигатор - именно такой. GPS-навигатор может служить не только штурманом, но и выполнять функции Bluetooth-телефона, MP3-плейера, FM-приемника. Все такие GPS навигаторы снабжены разъемом для 12-вольтового автомобильного аккумулятора. Батарея также позволяет заранее задать маршрут. Некоторые модели имеют обычный AC-разъем для использования в доме и перезарядки, а также USB-порт. Отдельным классом персональных приёмников являются военные приемники. К ним предъявляются специфические требования.

Следующим типом персональных навигационных систем являются системы на основе смартфонов или коммуникаторов оснащенные соответствующим аппаратным и программным обеспечением. В условиях, когда портативность и энергоэкономичность не играют особой роли, то используются навигационные системы на основе ноутбуков и нетбуков с подключаемыми внешними приемниками.

2.2 Стандартные гражданские навигационные приемники

Проанализируем некоторые типы навигаторов. Бесспорный лидер отечественного рынка навигаторов - фирма Garmin. Недавно появилась новая серия навигаторов Garmin - 800. Наиболее примечательная модель линейки - Garmin Nuvi 880, она интересна поддержкой MSN Direct. Это навигационная система, распознающая речь, имеющая цифровую карту высот и базированная на операционной системе Linux. Однако стоит заметить, что распознавание речи не распространяется на русский язык, потому, в сущности, в реалиях России и СНГ именно эта функция, поданная как особенность аппарата, оказывается бесполезной. В остальном, качество навигатора достаточно высокое. Яркий сенсорный TFT-дисплей (480x272), мультимедийные функции (FM-радио, просмотр фотографий, прослушивание MP3 и аудиокниг). Garmin Nuvi 880 - это, безусловно, качественный навигатор с множеством функций, однако разумнее было бы выбрать уже адаптированный к стране использования навигатор из предыдущих линеек. Наиболее популярным в стране навигатором данной компании является GPS-навигатор Garmin Nuvi 3790T. Внешний вид устройства представлен на рисунке 1 приложения Г.

Вместе с навигатором в комплект входит крепление на стекло и панель приборов, зарядку от аккумулятора, USB кабель, FM-антенну с присосками, диск с ПО и инструкцию пользователя. Главное, что выделяет nuvi 3790t среди всего многообразия автонавигаторов -- голосовое управление. Прибор научился не только произносить названия улиц, но и понимать русскую речь. Голосовое управление активируется голосовой же командой. По умолчанию это "голосовое управление", но фразу можно поменять в настройках. Причем фраза не надиктовывается, а вводится с клавиатуры. Дальше все просто: называем город, улицу, номер дома и утвердительно отвечаем на вопрос, нужно ли проложить маршрут. В любой момент можно переключиться на традиционный ввод с клавиатуры.

Официальные GPS-навигаторы Garmin поставляются в комплекте с картами "Дороги России". В текущей редакции эти карты отображают достаточно подробные очертания домов, учитывающие не только контур дома, но и его высоту. Сложно сказать, насколько полезно при навигации, как правило, виден только первый ряд домов, да и то не во всю высоту. Детализация карты у Garmin Nuvi 3790T очень хорошая. Теперь на карту накладывается и рельеф - пару лет назад Garmin ввела функцию топографии в свои туристические навигаторы, а теперь применяет её в автомобильных моделях.

Карты в GPS-навигаторе Garmin Nuvi 3790T работают отлично. Высокая детализация изображения, при этом навигатор не нагружает экран лишними данными, мешающими восприятию. Полноценная база объектов позволяет не потеряться в незнакомом городе или быстро найти заправку или шиномонтаж в новом районе. Чтобы использовать навигатор по-максимуму, рекомендуется загрузить с сайта Garmin.ru комплект POI точек с координатами стационарных радаров, постов ДПС, лежачих полицейских, опасных перекрестков и прочих объектов, о которых лучше знать заранее. Этот навигатор - отличный пример продуманной эргономики. Он компактный и лёгкий, его удобно носить в кармане в режиме пешехода. Навигатор прекрасно ловит спутники в городских условиях, и время не теряет спутники (за исключением заезда в тоннели).

Цветной экран изготовлен по технологии TFT и имеет размер по диагонали 4.3дюйма, обладает разрешением 800х480 пикселей, сенсорный, и обладает антибликовым покрытием. Картография представлена системой City Navigator Russia 2011.40 Navicom - все регионы с детальным покрытием. Содержит 191868 населенных пунктов с адресным поиском. 1 712 населенных пунктов с контурами домов. Путевые точки/ любимые объекты/ местоположения -1000, маршруты-1000. Имеет картридер microSD, microSDHC карт.

Дополнительные функции представлены Bluetooth интерфейсом Hands-Free, развязками в 3D, отображением 3D моделей зданий, достопримечательностей в 3D, возможность добавления карт, голосовые подсказки, выбор режима (авто, пешком, вело), совместимость с FM traffic, функция "Where Am I?", Garmin Locate, ecoRoute, фотонавигация, мировое время, конвертер валют, калькулятор, просмотр фото, Garmin Lock .

Питание -LiPol аккумулятор. Время работы от батареи до 4 часов. Размеры 122 x 75 x 8,9 мм, вес 113 грамм.

Начало 2012 года ознаменовалось важным и давно ожидаемым событием - на рынок стали проникать навигаторы с операционной системой Android. На сегодняшний день таких устройств на рынке пока всего три. Наиболее серьезный из них - Globus GPS GL-850 Android.м Его внешний вид представлен на рисунке 3 Приложения Г.

Навигатор имеет полностью пластиковый и при этом прорезиненный корпус. Дисплей с диагональю 5" имеет разрешение 800х480. Сенсор резистивного типа. В комплекте идет удобный телескопический стилус. В навигаторе установлен процессор от Samsung с частотой 667 МГц, а за навигацию отвечает 20-канальный Sirf Star III. Не самый новый навигационный процессор, но он будет в любом случае лучше, точнее и быстрее найдет спутники, чем встроенный в процессор. Оперативной памяти всего лишь 128 Мб. Но Android 1.5 много памяти и вычислительной мощности не требует. В Globus GPS GL-850 Android стоит та самая вторая массовая версия Android со всеми ее достоинствами и недочетами. Встроенной памяти 1 Гб, имеется слот для карт памяти. Беспроводные соединения представлены только Wi-Fi 802.11 b/g. Для пробок нужен или Wi-Fi-3G-модем, или телефон с опцией раздачи Интернета по Wi-Fi. Аккумулятор с емкостью 2000 мАч позволяет проработать устройству в течение трех часов в режиме навигации и примерно столько же в режиме Интернета по Wi-Fi.

Навигатор поставляется на рынок с программой "Навител" или "Ситигид". Можно при желании установить любую другую. К недостаткам относятся устаревшая система, устаревший GPS-процессор, отсутствие 3G и даже Bluetooth-приемника. Еще и отзывали его из-за аппаратных проблем. Но сейчас навигатор стал очень недорогим и является более удачным устройством, чем любой аналогичный навигатор, но с Windows CE на борту.

Среди других производителей следует отметить Navitel, Explay, TeXet, Mio и ряд других производителей. В настоящее время на российском рынке предлагается более ста шестидесяти моделей персональных навигаторов поддерживающих наряду с GPS и систему ГЛОНАСС. Примером такого навигатора является Lexand SG-555, внешний вид которого представлен на рисунке 3 Приложения Д. Навигатор построен на чипсете MSTAR с ARM9-процессором MSB2501, работающим с частотой 400 МГц, и GPS/ГЛОНАСС-модулем MSTAR MSB2320. Оперативной памяти в устройстве 128 МБ, плюс есть 2 гигабайта флеша. По аппаратным характеристикам Lexand SG-555 -- середнячок, а вот программная составляющая серьёзно устарела: прибор работает под управлением ОС WinCE 5.0.

Включение навигатора занимает сравнительно немного времени -- в пределах 10 секунд. После этого попадаем в меню. Здесь всего три пункта: Навигация, ГЛОНАСС/GPS и Медиа (Рисунок 4 Приложения Г).

Ловит спутники двухсистемный модуль MStar хорошо и сравнительно быстро. Поскольку мы имеем дело с ГЛОНАСС/GPS-приёмником, оценивать время запуска непросто: весь процесс -- от нуля до хотя бы трёх спутников в каждой системе -- занимает минуты две. По ходу тестирования не удалось установить чётких закономерностей, сигналы каких спутников (российских или американских) ловятся быстрее. По количеству отображаемых спутников лидера в двух системах также установить непросто. Москве, так и в Московской области в среднем количество спутников, используемых приёмником, было примерно одинаковым. Сигналы обеих систем принимаются стабильно.

Пункт меню ГЛОНАСС/GPS -- удобная утилита, наглядно показывающая как общее количество спутников в зоне видимости, так и количество тех из них, что пригодны для использования (рисунок 5 Приложения Г).

В качестве "штатной навигации" на борту Lexand SG-555 установлена популярная программа Navitel Navigator пятой версии с картой России (на сайте производителя упоминается, что также доступны СитиГИД и ПроГород). Эта программа заслужила известность благодаря высокодетальной карте, чётким маршрутам и множеству опций, позволяющих настроить программу наиболее удобно. В версии для гибридного навигатора Navitel чётко работает с ГЛОНАСС и GPS -- на экране есть два индикатора, показывающие количество спутников двух систем. Интересно, что позиционирование совершается с использованием данных сразу двух систем. Показать положение программа может уже тогда, когда, например, пойманы сигналы двух спутников ГЛОНАСС и одного спутника GPS. При увеличении числа спутников позиционирование корректируется. Точность позиционирования по ГЛОНАСС несколько ниже, чем по GPS. Информация о спутниках представлена на рисунке 7.



Рисунок 7 - Экран информации о спутниках

В целом, Lexand SG-555 -- годное, рабочее устройство среднего класса. Тем не менее, нельзя не отметить нескольких недочётов:

-- ОС Windows CE 5.0 (на аппаратном обеспечении навигатора нормально работала бы и Win CE 6.0);

-- Не очень чёткая работа экрана при пальцевом управлении;

-- Отсутствие коммуникационных функций -- невозможность использования сервисов информации о пробках.

"Пробочный" сервис уже практически стал стандартом для современных навигаторов, и отсутствие его в модели 2011 года -- непонятное решение. К тому же, предустанавливаемая на устройство навигационная программа Navitel Navigator известна своим сервисом трафика Навител.Пробки. Таким образом, на Lexand SG-555 не реализуются все возможности программы.

Что касается "двухсистемности", то это самый интересный момент. Фактически точности, обеспечиваемой GPS (от 2 до 8 метров), вполне достаточно. На сегодня ГЛОНАСС почти не уступает американской системе, обеспечивая точность в 4,5-8,5 метра. То есть, навигатор, использующий только ГЛОНАСС, имеет такой же смысл, как и привычные GPS-устройства.

Главные же преимущества использования двух систем -- более точное позиционирование и надёжность, double proof -- двойная гарантия позиционирования при плохом приёме сигналов спутников одной из систем. В наших широтах и севернее это актуально: теоретически сигналы спутников GPS могут ловиться хуже (что обусловлено наклонением их орбиты), а ГЛОНАССа -- лучше (наши спутники летают "выше").

Навигатор Lexand SG-555, таким образом, представляется навигационным прибором для активных автопутешественников, которых может занести либо далеко на Север -- тогда к их услугам ГЛОНАСС, либо на Юг, например, в Африку -- тогда на первый план выйдет GPS. Преимуществ у использования Lexand SG-555 в городе нет, наоборот, есть недостаток -- отсутствие возможности работать с "пробочным" сервисом (реализованным, кстати, в большинстве представленных на нашем рынке навигационных программ).

В настоящее время реализуются попытки построить отечественные персональные навигаторы. Примером такого навигатора является ГЛОНАСС/GPS-навигатор РИРВ НТ-1813 (рисунок 1 Приложения Д). Прибор от начала и до конца разработан ОАО "РИРВ" (ОАО "Российский институт радионавигации и времени"), одним из родоначальников системы ГЛОНАСС. Работает под управлением операционной системы Windows CE 6.0. В качестве процессора используется FreeScale i.MX31 с тактовой частотой 532 МГц, что обеспечивает оперативную обработку информации со спутников ГЛОНАСС и GPS, а также плавную прокрутку карт и быструю прокладку маршрутов.

Повышенная точность позиционирования обеспечивается благодаря трехмодовому приемовычислительному модулю ГЛОНАСС/GPS/SBAS 1К-181 с интегрированной системотехникой и пониженным энергопотреблением. Приемовычислительный модуль позволяет одновременно использовать спутники ГЛОНАСС и GPS, что значительно увеличивает точность позиционирования. В определении местоположения участвуют по 3-7 спутников каждой из систем. В ходе испытаний бывали ситуации, когда общее число спутников доходило до 15. В условиях неуверенного приема (на узких улицах между высоких домов, или на дороге, окруженной высоким лесом) обе системы дополняют друг друга. И там, где навигаторы, использующие только GPS или только ГЛОНАСС, потеряли бы спутники, устройство, параллельно использующее обе системы, показало хорошие результаты.

Помимо ГЛОНАСС и GPS, НТ-1813 способен принимать корректирующие сигналы с геостационарных спутников SBAS (Satellite Based Аugmentation System), которые передаются над определенными регионами. В частности, в западной части России будут приниматься сигналы EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service).

Основное меню навигатора (рисунок 2 Приложения Д) состоит из шести разделов: "Компас", "Карта", "Диаграмма", "Навигация", "Приложения", "Настройки". В меню "Приложения" спрятаны читалка книг и плеер. В "Настройках" можно отключить ГЛОНАСС или GPS, чтобы посмотреть, насколько изменится точность и стабильность позиционирования при использовании только одной из систем. В соседнем подменю выбирается вариант оформления, часовой пояс и регулируется громкость. В "Пороговых значениях" можно произвести настройки, балансируя между повышением точности позиционирования и расширением угла обзора приемника (чем больше угол, тем с большего количества спутников принимается сигнал).

Раздел "Компас" содержит электронный компас, который пригодится, если ты пересечешь границы заложенных в память навигатора карт. Здесь же отображаются широта и долгота точки, в которой ты находишься, а также высота над уровнем моря, скорость и азимут направления. Эти же данные за исключением компаса приведены и в меню "Навигация".

В разделе "Диаграмма" можно увидеть, какие спутники обеих систем в данный момент летают над твоей головой, и какие из них навигатор использует для расчета местоположения.

Между разделами "Компас", "Диаграмма" и "Навигация" можно переключаться, не выходя в главное меню, также прямо из них можно перейти в меню навигационной программы "СитиГИД".

Однозначно на сегодняшний день это лучший навигатор с поддержкой ГЛОНАСС на рынке и одно из самых интересных предложений среди автонавигаторов. К числу потребительских недостатков системы относится неудобное расположение miniUSB и ограничения в навигационной программе, установленные из-за потенциальной возможности неточного определения координат в системе GPS (в программе "СитиГИД" версии 3.5 минимальное отклонение от маршрута, после которого он будет пересчитываться, составляет 30 м), не позволяют в полной мере воспользоваться преимуществами высокой точности позиционирования, обеспечиваемой совместным использованием ГЛОНАСС и GPS. К счастью, последний недостаток, по свидетельству производителей навигационных программ, легко устраним.

2.3 Военные навигаторы

Особым видом персональных навигаторов являются военные навигаторы. В настоящее время в российскую армию начал поступать персональный навигатор ГЛОНАСС/GPS "Грот-М", позволяющий отображать картографическую информацию. Его внешний вид представлен на рисунке 3 Приложения Д.

Первая модель навигатора "Грот", выпускаемая с 2003 по 2010 год состоит на вооружении российской армии, а также ряда стран Африки и Латинской Америки и произведен тиражом порядка 10 тысяч экземпляров. В наших вооруженных силах применяется, в основном, командирами артиллерийских подразделений, разведкой, горными стрелками и частями специального назначения. По штату его положено иметь и в мотострелковом батальоне, а также ротным тактическим группам, действующим в отрыве от основных сил. Корпус навигатора изготовлялся из цельного бруска алюминия методом фрезеровки, что обуславливало высокую прочность изделия, но одновременно значительно утяжеляло его. Поскольку прибор первоначально предназначался только для определения координат и решения задач в артиллерии, то он получил маленький экран и не поддерживал отображение карт. Для удобства работы в сильный мороз, когда руки в перчатках, навигатор оснастили большими кнопками.

Новая модель построена на основе СБИС GNSS32L512 содержащей 32-битный процессор ARM и имеет цветной дисплей с разрешением 320х240. Кнопки расположены в верхней части навигатора, поскольку именно при таком расположении прибор удобнее всего лежит в руке и нажатия на кнопки наиболее комфортны. Навигатор выдерживает нахождение под водой на глубине 1 метра в течение суток и может после этого работать.

"Грот" можно подключать к сетям с низким напряжением (от 10 до 30 вольт), что позволяет заряжать его от бортовой сети автомобилей и бронетехники. Заряжать блоки аккумуляторов возможно как в самом приборе, так и в отдельном зарядном устройстве. Энергопотребление навигатора составляет 1.05-1.1 Вт не более 1 Вт.

Навигатор может работать одновременно с 32 спутниками, что значительно повышает точность позиционирования. Она зависит от многих факторов (количество спутников, рельеф местности и т.п.) и составляет 10 м (режим работы, когда взаимодействие идет только со спутниками), что сравнимо с аналогичными показателями американского военного навигатора DAGR. Дифференциальный режим позволяет, используя базовые станции, увеличить точность позиционирования до десятков сантиметров.

По желанию заказчика возможна установка слота под SD-карты флеш-памяти, но военные пока не просят о такой возможности. Внутренняя же память самого устройства составляет 256 мегабайт.

Микросхема навигатора целиком разработана на предприятии, кроме ядра процессора, который закуплен по лицензии. Схемотехника цифровой части, топология - все отечественное, а вот физическое изготовление - Китай, Тайвань. Монтаж платы опять же происходит у нас.

Навигатор позволяет записывать маршрут и показывать его на фоне карты. Карты, маршруты можно закачивать в прибор и снимать с него через интерфейс USB (порт для USB, RS-232 и RS-485 один, в комплекте идет разветвитель). В комплекте к изделию идет программное обеспечение, позволяющее конечному пользователю сопрягать навигатор с операционными системами на базе Linux и Windows. Предполагается, что при желании пользователь сможет устанавливать в "Грот" любые карты от сторонних разработчиков, используя специальный конвертер из комплекта программного обеспечения.

Навигатор может решать сервисные задачи, которые необходимы для нужд армии:

· по заданным координатам, расстоянию и азимуту определяются координаты точки, которую необходимо обстрелять;

· по заданным двум парам координат определяется расстояние и азимут между ними;

· по координатам двух точек и углу между ними определяются координаты третьей точки;

· - измерение дирекционного угла и т.п.

Возможен пересчет долготы и широты в координаты Гаусса-Крюгера и обратно.

В 2013 году начались поставки в силовые ведомства и Вооруженные силы навигаторов "Орион" "КБ "Навис". "Орион" предназначен для командиров подразделений - до командира взвода или отделения включительно. Масса устройства - 320 грамм. Оно способно работать от штатной батареи 24 часа в температурах от минус 30 градусов до плюс 55 градусов Цельсия. Военный навигатор сохраняет работоспособность при повышенной влажности, воздействии осадков, после погружения в воду на глубину до 1 м и после падения с высоты полутора метров. С завода навигаторы будут выходить "чистыми" - без встроенных цифровых карт. Устанавливать карты необходимой местности будет картографическое управление Минобороны.

Навигатор выполняет автоматическое определение текущих координат места (широта, долгота, высота), текущего вектора путевой скорости (путевой угол, путевая скорость) фиксированной точки (фазового центра антенны), выдачу на индикацию данных навигационных определений и времени, к которому они относятся. Ввод корректирующей информации МДПС производится по интерфейсу RS-232 и ее учет при решении навигационной задачи. Обеспечивается автоматическое распределение аппаратных каналов приема радиосигналов НКА СНС. Обеспечивается индикация состояния каналов приема и решение навигационной задачи по минимальному созвездию из трех НКА одной СНС.

Обеспечивается автоматический самоконтроль технического состояния НАП "Орион" (в том числе навигационной антенны СНС) с индикацией и выдачей по цифровому интерфейсу информации об отказавшем узле, как при включении, так и во время работы и ввод оператором и индикация минимального допустимого угла возвышения НКА.

Осуществляется индикация текущего времени в ШВ UTC SU (или при вводе поправки - в местном времени) в формате часы, минуты, секунды и выдача на индикацию и во внешние устройства навигационных параметров в системах координат WGS-84, ПЗ-90.02, СК-95, СК-42 (Балтийская система высот) или в системе, параметры которой вводятся оператором.

Индикация происходит по выбору оператора координат места в виде геодезических координат (B, L, H) или в виде плоских прямоугольных координат в проекции Гаусса-Крюгера (x, y, z).

Прибор позволяет выполнять ряд картографических задач. Это считывание и сохранение в памяти электронных карт местности объемом до 100 Мб, отображение карты на дисплее, отображение на карте местонахождения приемника навигационного портативного с одновременным отображением координат местоположения и направления движения, масштабирование карты по команде оператора, еремещение листа карты (в видимой области) по команде оператора с возможностью быстрого возвращения к виду с последней используемой точкой на карте.

"Орион" обеспечивает решение задач пространственной ориентации и их использование при решении задач по назначению при помощи встроенного трехосного магнитного компаса. Обеспечивается возможность решения ряда других задач.

2.4 Портативные туристические GPS-навигаторы

Главные достоинства туристического GPS-приемника - способность определить координаты в условиях, когда вид неба загорожен деревьями или другими препятствиями и быстрота определения этих координат. Предпочтение следует отдавать 12-канальным моделям и выше. Важна простота использования. Наилучшим решением является настраиваемая пользователем экранная форма, способная отображать ту информацию, которая нужна. Помимо дизайна, следует обратить внимание на вес и габариты. Важны прочность и погодозащищенность корпуса (надежнее модели, корпуса которых герметично закрыты и заполнены азотом), продолжительность автономной работы (батареек обычно хватает до 16 часов), возможность использовать питание от бортовой электрической системы. Очень максимальное число точек, которыми можно отметить будущий маршрут.

Размеры экрана портативных GPS-навигаторов примерно одинаковы. Большинство моделей оснащены цветным экраном с антибликовым покрытием, который хорошо читается и в темноте и на ярком солнце. Экраны в градациях серого остались только в дешевых моделях.

GPS карты для туристических навигаторов бывают трех типов: топографические, автомобильные и морские. Топографические позволяют просматривать ближайшие объекты относительно вашего местоположения. На них обозначены дороги, просеки, водоемы, населенные пункты. На подробных картах можно строить маршрут. Автомобильные больше подходят для автомобильных навигаторов. В портативных навигаторах возможны загрузка и использование морских карт или карт с глубинами (в зависимости от маршрута путешествия). Навигаторы по возможности работы с тем или иным типом картографии делятся на: приборы без возможности загрузки GPS карт; приборы со встроенной памятью для карт (поддерживают туристические и морские карты), память приборов при этом относительно невелика, ее хватает на 2-3 области; приборы со слотом для карт памяти, такие приборы поддерживают все три типа картографии и поэтому нет ограничения ее объемом, т.к. карточку памяти всегда можно сменить. Чем больше объем памяти, тем больше карт и в более подробном масштабе можно в него загрузить. Для установки карт расширения памяти прибор должен иметь специальный разъем.

Выбирая gps навигатор нужно обратить внимание и на дополнительные функции. Многие модели комплектуются барометром, высотомером и магнитным компасом. Барометрический высотомер позволяет измерять высоту с точностью до 1-2 метров. Этой функцией пользуются в горах. По изменению атмосферного давления за продолжительное время можно также прогнозировать погодные условия. Для определения сторон света, обычному навигатору требуется, чтобы пользователь передвигался с некоторой скоростью. Стоя на месте, определить где запад, восток - не получится, вот тут то и выручит электронный компас.

Ведущими мировыми производителями портативных навигаторов являются компании Garmin, Magellan и др. У российских покупателей приборы Garmin пользуются большей популярностью. Для навигаторов этой компании в России достаточно развита сеть сервисных центров. Все современные модели портативных навигаторов Garmin отличаются качественным приемником сигнала, влагозащищенностью. Качество приема обеспечивается последним поколением GPS-чипсетов, позволяющих обрабатывать не только прямые сигналы от спутников, но и переотраженные от атмосферы и крупных объектов. Основные функции, присущие всем портативным GPS - навигаторам Garmin - это запись пройденного пути, сохранение текущего местоположения, указание направления на заранее сохраненную точку или точку с известными координатами. При выходе на известную точку, на экране навигатора появляется прямая линия, соединяющая текущее местоположение и точку, к которой надо двигаться.

Однако туристические GPS-навигаторы имеют ряд важных отличительных особенностей, рассчитанных на работу в непростых для электроники условиях, поскольку они созданы специально для людей, ведущих активный образ жизни, - туристов, спортсменов, велосипедистов, грибников, рыбаков. Основным преимуществом портативных навигаторов является их малое энергопотребление и легкая замена элементов питания; наличие карт местности, включающих в себя высоты и глубины, запись треков/маршрутов, а также такие специализированные дополнительные опции, как электронный компас, альтиметр, барометр, календарь рыбака/охотника и др.

Портативные туристические навигаторы появились в России уже давно, и многие любители рыбной ловли стали пользоваться ими еще до того, как в обиход вошли автонавигаторы. Дело в том, что для туристического похода и рыбалки, скажем на водохранилище, достаточно было иметь простейшую топографическую карту местности. Небольшие российские фирмы занимались изготовлением таких карт для навигаторов Garmin, а некоторые пользователи делали их сами.

Если в мире автомобильных навигаторов существует достаточно сильная конкуренция, то среди туристических моделей на нашем рынке господствует Garmin. Эта компания производит несколько линеек классических туристических навигаторов: eTrex, 60 серия, 76 серия, Oregon. Кроме того, Garmin выпускает и специализированные спортивные навигаторы: Forerunner - для бегунов и Edge - для велосипедистов. На рисунке 3 Приложения Е показаны туристические навигаторы Garmin eTrex . Они обладают ударопрочным и влагонепроницаемым корпусом и может работать в широком диапазоне температур (от -20°C до +70°C).

Спутниковый GPS-сигнал может быть принят с любого направления, но для получения наилучшего результата объект должен находиться под максимально открытым участком неба (вплоть до горизонта). Металлические поверхности, здания, плотные кроны деревьев и т.п. блокируют сигнал. Мощные передатчики (особенно в микроволновом диапазоне) могут вносить сильные искажения. Лучше избегать мест, через которые проходит сфокусированное микроволновое излучение, или территорий, расположенных вблизи мощных радаров, которые излучают волны на радиочастотах, близких к кратным значениям частоты сигнала L1 (1575,42 МГц).

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. 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.

В таблице приложения Е представлены характеристики моделей туристических навигаторов Garmin eTrex с поддержкой ГЛОНАСС. Благодаря поддержке ГЛОНАСС, Garmin eTrex 10, 20 и 30 при тех же условиях находят больше спутников, чем навигаторы с поддержкой только GPS.

Это положительно сказывается в первую очередь на устойчивости приёма, что особенно важно при нахождении в "проблемных" местах (например, в окружении небоскрёбов, или, наоборот, в низине в густом лесу). В настройках может отключить использование Глонасс, оставив работать лишь GPS. Приборы поддерживают работу как с векторными так и с растровыми картами. На рисунке 8 показана работа навигатора Garmin eTrex 20 в различных режимах.

Рисунок 8 - Работа навигатора Garmin eTrex в различных режимах.

2.5 Системы на основе внешнего приемника и ноутбука или нетбука

Помимо вышеперечисленных GPS навигаторов встречается еще один вариант - использование GPS-приемника и картографического ПО на ноутбуке. Плюсом такого решения является функциональность полноценного GPS-навигатора, а минусом - использование ноутбука во время движения не всегда удобно. Существуют различные типы GPS-приемников.

Популярен BU-353 - выносной GPS-приёмник с USB-интерфейсом (рисунок 9). Он предназначен для пользователей лэптопов, ноутбуков, ПК и КПК с USB-хостом. В одном корпусе совмещён GPS-приёмник и активная антенна (GPS Mouse). В основе приёмника лежит чипсет SiRFstarIII, обеспечивающий высокое качество и скорость определения координат.

Рисунок 9 - Выносной GPS-приёмник с USB-интерфейсом BU-353

Приемник имеет USB-интерфейс и имеет 20 параллельных каналов, встроенную активную высокочувствительную антенну. Время "холодного стара" - 45 секунд, сообщения NMEA 0183 v2.2: GGA, GSA, GSV, RMC (GLL, VTG - опционально). Потребляемый ток - 80 мА.Ддлина кабеля 1.5 м.

В комплект поставки входит:

- GPS-приёмник BU-353 со встроенной антенной и USB-интерфейсом;

- зажим для кабеля с присоской на стекло;

- CD с драйверами и тестовым ПО;

- руководство пользователя на русском языке.

Наряду с приемником с интерфейсом на российском рынке появились персональные навигационные приемники поддерживающие протокол беспроводной передачи данных Bluetooth. Примером такого приемника является Garmin GPS 10 Deluxe (рисунок 10). Устройство предназначено для работы в паре с ноутбуками или карманными компьютерами и позволяет превратить электронный картографический носитель в полноценную навигационную систему. Благодаря программному обеспечению (Garmin nRoute и Que) пользователь может отыскивать адреса объектов (Европа), выбирать пункты назначения, выполнять перерасчет маршрута при отклонении от нужного пути, автоматически рассчитывать маршруты и получать голосовые подсказки во время движения.

Рисунок 10 - Приемник Garmin GPS 10 Deluxe

Компактный GPS-приемник, имеющий автономное питание (12 часов работы от литий-ионного аккумулятора), закрепляется под лобовым стеклом или на крыше автомобиля с помощью магнитной подошвы или "липучки" и может обмениваться данными с портативным компьютером на расстоянии до 10 метров. Корпус приемника защищен от влаги по стандарту IPX7, допускающему погружение в воду на глубину один метр в течение 30 минут.

В комплект входит полностью разблокированный диск MapSource City Select Europe CD-ROM, программное обеспечение nRoute для ноутбуков, программное обеспечение Que для карманных компьютеров, крепежные приспособления, 12-вольтовый адаптер и руководство пользователя.

Bluetooth GPS-приемник Holux M-1000 (рисунок 11) обеспечивает 23 часа непрерывной работы. 32 канала, чувствительность 159dBm, частота обновления 1Гц. Использует чипсет MTK MT3318. Поддержка USB и Bluetooth.

Рисунок 11 - GPS-приемник Holux M-1000

В основе устройства лежит чипсет MTK MT3318 с 32 каналами приема сигналов со спутников, а чувствительность приемника достигает 159 dBm, время автономной работы до 23 часов. Передача данных возможна и через Bluetooth и через Holux data cable - через USB порт. Ресивер: L1, 1575.42 мГц C/A code: 1.023 мГц, частота обновления 1 Гц. Имеет встроенную антенну. Чувствительностьсо ставляет 159dBm, Габариты: 65х43 х 17.6 мм, вес менее 53гр. Ионно-литиевая аккумуляторная батарея обеспечивает до 23 часов работы. Рабочая температура от =10 єC tдо + 60 єC. Поставляется с ПО Навителл. Holux data cable позволяет согласовать сигналы USB портноутбука с уровнями Rs-232 приемника.

Разработан российский приемник НИИ КП SGK-M, поддерживающий системы ГЛОНАСС и GPS (рисунок 12). Подключается приемник с использованием USB интерфейса. Число каналов приемника 24, точность определения координат составляет 10 м, точность определения высоты 5 м, время горячего старта составляет 15 с, теплого старта 30 с, холодного старта 90 с. Имеет внутреннюю антенну. Обеспечивает подключение внешнего источника питания 12 В.

Рисунок 12 - Российский приемник НИИ КП SGK-M

2.6 Навигационные системы на основе коммуникаторов и смартфонов

Для навигационных целей широко используются коммуникаторы и смартфоны. Многие смартфоны и КПК имеют GPS-приемники и картографическое ПО, обеспечивая функциональность портативного навигатора. С одной стороны, отпадает необходимость покупки двух устройств, а с другой - дисплеи смартфонов и КПК меньше, да и удобство использования часто оставляет желать лучшего. Тем не менее, эти устройства достаточно широко используются как навигационные аппараты.

При этом они могут иметь собственный GPS-модуль, внешний GPS приемник или использовать используя сотовую навигацию. Одной из наиболее используемых навигационных программ для таких систем является Google Maps. Эта программа стоит по умолчанию в большинстве смартфонов но основе ОС Андроид - причем не важно даже, есть ли у смартфона собственный GPS-модуль. Google Maps с одинаковым успехом работает и с навигационным чипом, и без него, используя сотовую навигацию. Сама по себе программа Google Maps абсолютно бесплатна, но для того, чтобы она в принципе работала, понадобится подключение к интернет. Дело в том, что вся картографическая база Google Maps хранится на удаленном сервере в интернете, и смартфону каждый раз приходится закачивать из сети нужные кусочки. Трафик от этого, конечно, тратится - зато совершенно не тратится место на карте памяти. Интерфейс программы показан на рисунке 13.

Рисунок 13 - Программа Google Maps

Ни прокладку маршрутов, ни, тем более, поддержки пробок в этой программе нет. Она рассчитана на "ручное управление". Зато с картами нет никаких проблем. К примеру, если дорожных развязок для нужного региона еще нет, то можно всегда посмотреть на спутниковый снимок местности.

Программа Nokia Maps - это приложение, разработанное специально для телефонов и смартфонов Nokia, поэтому ни на каких больше аппаратах работать оно не будет. Существует две версии программы - пешеходная и автомобильная, обе можно скачать на официальном сайте компании. После оплаты покупки помимо просмотра карты станут доступны функции ведения по маршруту и голосовых подсказок. Для большинства аппаратов голосовые подсказки сегодня существуют только на английском языке. В базовом режиме программа будет закачивать из интернета кусочки карты, как Google Maps, но при желании можно скачать с сайта и полную картографическую базу. Интерфейс программы показан на рисунке 14.



Карты Nokia Maps

Рисунок 14 - Интерфейс программы Nokia Maps

Навигация с Nokia Maps простая, красивая, но не очень удобная. К пешеходному варианту никаких претензий нет - ведет хорошо, чисто и правильно, и даже всякую экскурсионную информацию порой рассказывает. А вот с автомобильной дела обстоят несколько хуже. Во-первых, у смартфонов Nokia экран достаточно небольшой поэтому и разглядывать на нем карту, и управлять навигационной программой, часто бывает неудобно. Во-вторых, точность карт для многих регионов. Существуют и другие навигационные программы для смартфонов, в том числе и версии Навител.

В настоящее время на рынке России появляются смартфоны с поддержкой как GPS так и ГЛОНАСС. По данным [*] на начало 2013 года на рынке представлены около сотни таких устройств основных производителей, включая Apple, Самсунг, Huawei и ряд других. Самым дешевым двухсистемным аппаратом с поддержкой ГЛОНАСС является смартфон МТС 962, а одним из наиболее удачных моделей является смартфон Huawei Honor (рисунок 1 Приложения Ж). Для навигации в смартфоне Huawei Honor используется чип gpsOne на платформе Qualcomm. Специального навигационного ПО нет, установлены только программы Google Maps, Navigation и Яндекс.Карты. При желании пользователь может самостоятельно установить любой навигационный софт и превратить смартфон в компактный навигатор.

Заключение

Общее направление модернизации обоих спутниковых систем GPS и ГЛОНАСС связано с повышением точности навигационных определений, улучшением сервиса, предоставляемого пользователям, повышением срока службы и надёжностью бортовой аппаратуры спутников, улучшением совместимости с другими радиотехническими системами и развитием дифференциальных подсистем. Общее направление развития систем GPS и ГЛОНАСС совпадает, но динамика и достигнутые результаты сильно отличаются.

Совершенствование системы ГЛОНАСС планируется осуществлять на базе спутников нового поколения "ГЛОНАСС-М". Этот спутник будет обладать увеличенным ресурсом службы и станет излучать навигационный сигнал в диапазоне L2 для гражданских применений.

Однако развитие космического сегмента и системы управления не может дать результат без развития конечного сегмента систем. Использование спутниковой навигации многогранно. Наряду с системами отображения картографической информации сюда входит и ряд других применений.

Одним из таких применений является трекинг транспорта. Допустим, у некой транспортной компании есть 20 грузовых автомобилей и каждый ежедневно простаивает в многокилометровых пробках или делает крюки, тогда как возможны другие, оптимальные маршруты, пусть и объездные. Сколько убыточных километров проходит каждая машина в день? В неделю? За год? Сколько бензина сжигает впустую? А если подсчитать убытки транспортных компаний огромной страны. Повсеместное внедрение навигационных технологий способно повысить эффективность работы транспорта - сократить общий пробег, минимизировать холостой, повысить скорость передвижения, ускорить доставку товаров. Экстренные службы - милиция, пожарные, скорая помощь - станут прибывать на вызовы в разы быстрее, чем сейчас.

Конечно, в рамках навигационной системы связь односторонняя: навигатор, как телевизор, просто принимает сигнал. О наших передвижениях никто, кроме нас, знать не будет, если только мы не используем навигацию, встроенную, например, в сотовый телефон и вдобавок не "зарядили" его определенными программами-приложениями. Вот тогда можно отследить наши перемещения.

Спутниковый сигнал (как ГЛОНАСС, так и GPS) абсолютно бесплатен и доступен всем. Другое дело, какие-то платежи придется вносить за некоторые дополнительные сервисы, например сообщения о пробках, передачу данных в охранное агентство. Если эти сервисы требуют подключения к Интернету, за трафик, разумеется, необходимо платить.

Особенностью использования навигационных систем является необходимость постоянного обновления. Устаревает не столько сам прибор, сколько заложенная в него картографическая и попутная информация. Ее обновление не требует замены самого навигатора, но каждый день появляются приборы с новыми сервисными функциями, более удобные и совершенные. То есть навигаторы, как и любая техника, подвержены моральному старению. весь прибор или только обновлять карты.

Происходит постоянное обновление системы. В США 5 января 1999 года объявлено о выделении 400 млн. долл. на модернизацию системы GPS, связанную с передачей C/A-кода на частоте L2 (1222,7 МГц) и введением третьей несущей L3 (1176,45 МГц) на КА, которые начали запускаться с 2005 года. Сигнал на частоте L2 используется для гражданских нужд, не связанных непосредственно с опасностью для жизни людей. Третий гражданский сигнал на частоте L3 решено использовать для нужд гражданской авиации.

В России продолжается бурное развитие ГЛОНАСС. Несколько компаний в России уже разрабатывают навигационные приемники и функционально законченные навигаторы. Один из таких проектов - создание отечественной полноценной мультимедийной системы, объединяющей спутниковый навигатор с поддержкой ГЛОНАСС, маршрутный компьютер, аудиовидеоцентр, противоугонную систему. Если результат будет успешным, сразу появятся автомобили с с двухсистемной навигацией, которые к тому же получат отечественную мультимедийную электронику на уровне той, что установлена в иномарках среднего и даже премиум-сегмента.

У спутниковой навигации постоянно появляются все новые области применения. Взять, например, трекеры. Это миниатюрное устройство можно положить в портфель сына-школьника, в сумку бабушки-старушки, привязать к ошейнику любимой собачки или засунуть в автомобильную аптечку. После этого на интернет-странице специального сервиса вы сможете в любой момент увидеть на карте, где находится трекер и, стало быть, сам объект, то есть не потеряются ни бабушка, ни сын, ни собака, ни машина. А можно задать зону, и при выходе трекера за ее пределы нас оповестит об этом SMS-сообщение.

Глоссарий

№ п/п	Понятие	Определение
1	CDMA (Code Division Multiple Access)	множественный доступ с кодовым разделением -- технология связи, обычно радиосвязи, при которой каналы передачи имеют общую полосу частот, но разную кодовую модуляцию.
2	GPS NAVSTAR (Global Positioning System)	глобальная система позиционирования, спутниковая система навигации, обеспечивающая измерение расстояния, времени и координат)
3	GPS-навигатор	устройство, которое получает сигналы глобальной системы позиционирования с целью определения текущего местоположения устройства на Земле.
4	Андроид (Android)	операционная система для коммуникато- аторов, планшетных компьютеров, электронных книг, цифровых проигрывателей, нетбуков, и других устройств, основанная на ядре Linux и собственной реализации Java от Google.
5	Векторные карты	базы данных, в которых хранится информация об объектах, их характеристиках и взаимном расположении, географических координатах и т.д.
6	Геодезия	наука, исследующая размеры и форму Земли, её гравитационное поле, отрасль производства, связанная с измерениями на местности.
7	Геостационарная орбита	круговая орбита, расположенная над экватором Земли, находясь на которой искусственный спутник обращается вокруг планеты с угловой скоростью, равной угловой скорости вращения Земли вокруг оси.
8	Глобальная навигационная Спутниковая Система (ГЛОНАСС, GLONASS)	советская и российская спутниковая система навигации, разработаная по заказу Министерства обороны СССР обеспечивающая измерение расстояния, времени и местоположения.
9	Глонасс-М" (наименование по ОКР: "Ураган-М",)	серия космических аппаратов российской глобальной навигационной системы ГЛОНАСС 2-го поколения, разработанная и выпускаемая ОАО "ИСС" имени академика М. Ф. Решетнёва.
10	Картографический объект	реальный объект или явление, изображаемое на карте в условном виде.
11	Кеплеровы элементы	шесть элементов орбиты, определяющих положение небесного тела в пространстве в задаче двух тел:большая полуось, эксцентриситет, наклонение, аргумент перицентра, долгота восходящего узла, средняя аномалия.
112	Метод оскулирующих элементов	метод качественного анализа траектории возмущённого движения небесного тела.
113	Наклонение орбиты (наклон орбиты, наклонение) небесного тела	угол между плоскостью его орбиты и плоскостью отсчёта (базовой плоскостью).
114	Прямое восхождение (б, R. A. Right Ascension)	размер дуги небесного экватора от точки весеннего равноденствия до круга склонения светила. Одна из координат экваториальной системы.
115	Растровые карты	Картографические изображения в формате BMP или JPG, к которым привязана географическая координатная сетка
116	Слои карты	объекты векторной электронной карты обычно распределяемые по определенным тематическим уровням.
117	Эффект Доплера	изменение частоты и длины волн, регистрируемых приёмником, вызванное движением их источника и/или движением приёмника.

Список используемых источников

1. Радиотехнические системы. Под ред. Казаринова Ю.М. М.: Высшая школа, 1990.

2. Соловьев Ю.А. Системы спутниковой навигации. М.: Эко-Трендз, 2000.

3. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС / Под ред. В.Н. Харисова, А.И. Перова, В.А. Болдина. М.: ИПРЖР, 1998.

4. Липкин И.А. Спутниковые навигационные системы. М.: Вузовская книга, 2001.

5. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ. Редакция 5.1. М.: КНИЦ ВКС, 2008.

6. Interface Control Document: NAVSTAR GPS Space Segment / Navigation User Interfaces (ICD-GPS-200). Rockwell Int. Corp. 1987.

7. Радионавигационные системы. 2-е изд. (комплект из 3-х книг: учебник, задачник, лаборат. практикум) Автор(ы): Под ред. Бакулева П.А., Сосновского А.А. Издательство: Радиотехника Год: 2011

8. ГЛОНАСС: принципы построения и функционирования. 4-е изд. Под ред. Перова А.И., Харисова В.Н. Издательство: Радиотехника Год: 2010 ISBN: 978-5-88070-251-0

9. Основы любительской GPS-навигации И. А. Гончаров Москва Горячая Линия - Телеком 2007 г.ISBN: 5-93517-348-4

10. Спутниковые радионавигационные системы: время, показания часов, формирование измерений и определение относительных координатАвтор(ы): Поваляев А.А. Издательство: Радиотехника Год: 2008 ISBN: 978-5-88070-153-

11. NV08C-MCM Приемник GPS/GLONASS/GALILEO/COMPASS http://microem.ru/products/wireless/priemniki-glonass/

12. GPS приемник для ПК и ноутбука http://www.uselectronics.az/shop/index.php?

13. Состав группировки КНС ГЛОНАСС на 12.05.2012г. http://www.glonass-ianc.rsa.ru/GLONASS/ Типы спутников ГЛОНАСС. http://gnsystems.net/

14. ГОСТ Р 52865-2007 Глобальная навигационная спутниковая система. Параметры радионавигационного поля. ТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 27 декабря 2007 г. № 518-ст

15. Приемы работы с OziExplorer. http://www.gps-profi.ru/full_news.php

16. Garmin Nuvi 3790T - топовый автонавигатор с голосовым управлением. http://www.hwp.ru/articles/Garmin_Nuvi_3790T___topoviy_avtonavigator_s_golosovim_upravleniem_90178/