НАВИГАЦИЯ
..Все дороги занесло;
Хоть убей, следа не видно:
Сбились мы. Что делать нам!
В поле бес нас водит, видно,
Да кружит по сторонам.
А. С. Пушкин. "Бесы"
"Из города А в город Б, расстояние между которыми 210 км, выехал автомобиль со скоростью 70 км/ч. Сколько ему потребуется времени, чтобы преодолеть расстояние между этими городами?" Помните, как, сидя за школьной партой, мы решали подобные задачи? "Чтобы определить время, нужно расстояние разделить на скорость движения: 210 км : 70 км/ч = 3 ч". На первый взгляд очень просто. Однако в реальности все гораздо сложнее. Было ли при решении задачи учтено, что автомобиль будет проходить путь не с постоянной скоростью или что он, возможно, попадет в пробку? Или же, чего доброго, его остановит работник ГИБДД? Тогда путешествие из пункта А в пункт Б займет больше времени, нежели расчетные три часа. Человеку трудно оценить влияние всех этих факторов, а автомобильные навигационные системы сегодня при расчете маршрута способны это сделать!
Вчера: спутниковое позиционирование
Развитие автомобильных навигационных систем (АНС) никогда не стояло на месте и сейчас достигло поразительных результатов.
Первая система такого типа появилась сравнительно недавно, в 80-х годах прошлого столетия, и представляла собой обыкновенный приемник для системы спутниковой навигации GPS. Дальнейшие темпы развития автомобильных навигаторов впечатляют: с начала 90-х годов в этой области начался настоящий бум c точки зрения функциональных возможностей, продолжающийся и по сей день. Так, в это благодатное время автомобильная навигационная система пополнилась дисплеем, на котором водитель мог наблюдать перемещение по карте (map matching). С развитием микропроцессорной техники технология map matching обрела дополнительные функции: при определении положения объекта стали учитываться направленность движения на улицах, схемы развязок и т. п. В середине 90-х автомобильные системы научились выдавать голосовые команды, что повысило безопасность движения, поскольку водителю уже стало не нужно следить за перемещением по карте на дисплее.
Геодезический GPS-приемник Topcon
Важно отметить, что точность АНС также повышалась. До 1997 г. рядовые пользователи не могли определять свое положение с точностью большей, чем 30 м. Это было обусловлено тем, что силовые органы США специально искажали сигнал GPS, ограничивая тем самым возможности устройства. Однако когда объединяющаяся Европа решила создать собственную спутниковую систему позиционирования Galileo (см. PC Week/RE, N 31/2002, с. 18), да еще к тому же вела активные переговоры с Россией о построении такой системы на основе существующей российской ГЛОНАСС, президент США Билл Клинтон издал указ о снятии ограничений с GPS. Таким образом, с конца 90-х рядовые пользователи глобальной системы позиционирования получили доступ ко всем ее возможностям и могут сегодня определять местоположение с точностью до 3-10 м.
К концу прошлого века АНС стала представлять собой целый комплекс, состоящий из CD-привода, служащего для загрузки карт и управляющей программы, GPS-приемника, определяющего координаты местоположения с точностью до 3 м, дисплея и вычислительного устройства, на хрупкие силиконовые "плечи" которого были возложены огромные обязанности. Так, помимо вычисления координат текущего местоположения оно научилось использовать карту дорог для внесения поправок при определении координат, прокладывать оптимальные маршруты движения, учитывая при этом направление движения на разных улицах и развязках. Плюс к этому при расчете пути стала приниматься во внимание статистика загруженности дорог в зависимости от времени суток.
Простому обывателю все это может показаться фантастикой. Но что же дальше? Что можно еще придумать в сфере автомобильных навигационных систем, когда, казалось бы, они и так умеют очень многое? Как же они эволюционируют в XXI веке?
Спутниковые системы позиционирования
Global Positioning System (GPS) - это американская система спутников, название которой переводится как "глобальная система позиционирования". В России существует ее аналог - ГЛОНАСС, но ввиду недостаточного финансирования отечественная система не может обеспечить позиционирования, в настоящее время функционируют лишь 11 спутников. Как уже отмечалось, американская GPS по сути является системой военного значения, и силовые структуры США оставляют за собой право прекратить обслуживание коммерческих пользователей. Такая ситуация со спутниковой навигацией не устраивает Европейский Союз и Китай. Поэтому они договорились о создании совместной спутниковой системы позиционирования Galileo. Недавно к ним присоединилась Индия.
Что же собой представляет GPS? По околоземным орбитам вращаются 24 спутника, которые непрерывно излучают радиосигналы на двух частотах. Орбиты спутников расположены таким образом, чтобы в любой точке земного шара в любой момент времени можно было наблюдать как минимум четыре спутника. GPS-приемник получает от них сигналы, содержащие метку о времени испускания, и, сравнивая их с показаниями своих часов, вычисляет координаты своего местоположения. Качество приемника определяется числом спутников, с которыми он одновременно может работать. На сегодняшний день GPS-приемники преимущественно являются 12-канальными.
Для определения координат на поверхности Земли (то есть широты и долготы) достаточно получать сигналы от трех спутников. Если же доступно четыре и более спутников, то на выходе GPS-приемника вы еще получите и высоту над уровнем моря.
Одной из особенностей функционирования современных GPS-приемников является то, что они работают не только с GPS, а также принимают (если это возможно) сигналы от российской ГЛОНАСС. Объединенное использование спутников двух систем позволяет значительно повысить точность позиционирования.
Что же касается точности приемников, то она сейчас достигает 3-10 м для сравнительно дешевого оборудования и нескольких сантиметров - для дорогостоящих геодезических и военных устройств. На отечественном рынке среди большого числа GPS-приемников можно отметить устройства, производимые компаниями Garmin и Magellan, - они обладают лучшим соотношением цена/качество и заслуженно пользуются спросом у российского потребителя.
Автономные навигационные системы
Навигация - очень древняя наука. Раньше определить местоположение людям помогали звезды и компас. С появлением гироскопов наступила новая эпоха в развитии навигации - эра автономных инерциальных навигационных систем (ИНС). В основе их функционирования лежит принцип счисления пути. При помощи шести чувствительных элементов - трех гироскопов и трех акселерометров - можно определить положение объекта в пространстве, не используя внешних источников информации, таких, например, как GPS. Однако недостаток подобных систем - постоянно нарастающая ошибка позиционирования вследствие погрешностей чувствительных элементов, главным образом из-за смещения нуля и нестабильности масштабных коэффициентов акселерометров и дрейфа (ухода) гироскопов. Для любых систем, в том числе и автономных навигационных, справедлив закон: чем выше точность системы, тем выше ее стоимость. При этом такая зависимость далеко не линейна. Скажем, современная высокоточная система, дающая погрешность в определении координат на уровне 1,8 км/ч (т. е. ошибку 1,8 км за один час работы), стоит в пределах 80-120 тыс. долл.
Автономные ИНС являются предметом интереса военных, а вот построенные на их основе интегрированные системы ИНС/GPS находят все больше областей применения в гражданских целях, в частности в последнее время они используются для решения задач автомобильной навигации.
Сегодня: high-tech - в массы!
Чем же так плохи автомобильные навигационные системы "вчерашнего дня", построенные на основе одного лишь приемника GPS? В принципе такая система могла быть идеальной, если бы не один, но значительный недостаток. Как отмечалось ранее, чтобы определить координаты объекта, необходимо иметь возможность одновременно наблюдать как минимум три спутника. Однако такая задача становится трудновыполнимой в условиях нахождения в лесу и еще более сложной в мегаполисе с его мостами, тоннелями, эстакадами и высотными зданиями. И здесь на помощь приходят интегрированные автомобильные навигационные системы.
Как правило, в состав таких систем входят GPS-приемник (как основной инструмент позиционирования), а также гироскоп (как измеритель курса объекта) и акселерометр - элементы, заимствованные у автономных ИНС, которые помогают определять положение объекта в отсутствие сигнала GPS.
Интегрированная навигационная система CompaNav II
Обычный приемник GPS способен выдавать информацию с частотой 1 Гц, т. е. один раз за секунду. Допустим, что автомобиль движется со скоростью 20 м/с, таким образом, каждую секунду его координаты изменяются на 20 м, поэтому на экране будет наблюдаться скачкообразное перемещение. В интегрированных же АНС этого недостатка нет, поскольку частота выходной информации достигает 100 Гц. При этом координаты местоположения объекта определяются непрерывно.
Использование инерциальных чувствительных элементов делает АНС практически безотказной - вы всегда сможете узнать, где находитесь. Здесь важно подчеркнуть, что внесение таких конструктивных изменений не сильно сказывается на стоимости системы, поскольку используемые инерциальные датчики, созданные на основе MEMS-технологии, стоят недорого в условиях массового производства.
Установить инерциальные датчики - задача не хитрая. Помимо них большую роль играет программное обеспечение, обрабатывающее "сырые" выходные данные чувствительных элементов путем использования методов математической статистики и оригинальных алгоритмов. Широко применяются фильтры Калмана, сглаживающие выходные сигналы гироскопов и акселерометров. ПО позволяет значительно повысить точность систем. Например, как уже отмечалось, на нее влияют погрешности используемых инерциальных датчиков. Если же микромеханический гироскоп имеет постоянный уход, равный 0,1 град/с (или 360 град/ч), то без применения алгоритмической компенсации погрешность при определении координат составила бы более 100 000 км за один час. Понятно, что для современных интегрированных систем вопрос алгоритмической компенсации погрешностей чувствительных элементов является одним из первостепенных.
Таким образом, интегрированные АНС впитали в себя все достоинства high-tech ИНС (высокую частоту выходного сигнала, возможность определения координат без использования внешней информации и математическое программное обеспечение) и предыдущих автомобильных систем, основанных на информации от спутников GPS и алгоритмах расчета маршрутов.
Как же сейчас обстоят дела на рынке интегрированных автомобильных навигационных систем? Исторически сложилось так, что его развитие началось на Западе. Поэтому на сегодняшний день основные поставщики устройств АНС - европейские и американские производители, например Alpine, Philips и др. Однако в последнее время начали появляться аналогичные продукты восточных гигантов электронной промышленности - Samsung, Panasonic и пр. Стоимость систем варьируется от 100 до 2000 долл.
А какова ситуация в России? Ряд фирм (например, "Прин", "Ингит", "Киберсо") занимаются разработками в области автомобильной навигации на основе GPS и соответствующего программного обеспечения. Компания Teknol недавно анонсировала CompaNav II - интегрированную ИНС/GPS-систему на базе микромеханических инерциальных датчиков, которая способна выполнять широкий круг задач, начиная от морской (и даже подводной!) и воздушной навигации и заканчивая работой в качестве персонального навигатора. Она обладает достаточно высокими для систем такого класса точностными характеристиками: разрешающей способностью в определении углов курса, крена и тангажа (т. е. минимального изменения значений этих углов), а также возможностями определения координат в отсутствие сигнала GPS. И при этом отличается сравнительно низкой стоимостью (предполагаемая цена - около 300 евро).
Резюме
Очевидно, что задачи, решаемые автомобильными навигационными системами, будут непрерывно меняться, по мере прогресса в области автомобилестроения. Возможно, рано или поздно настанет день, когда автомобиль будет перемещаться не только по бесконечным земным дорогам, шоссе, хайвеям, но и в околоземном воздушном пространстве. Понятно, что тогда одной лишь спутниковой навигацией уже не обойдешься, ведь помимо координат понадобится определять и угловое положение объекта в пространстве, что при помощи GPS сделать невозможно. Будущее - за интегрированными системами, сочетающими возможности автономных ИНС и всевозможных радиолокационных систем с новыми методами сбора и обработки информации.
