GPS-навигатор

GPS-навигатор

GPS-навигатор — устройство, которое получает сигналы глобальной системы позиционирования с целью определения текущего местоположения устройства на Земле. Устройства GPS обеспечивают информацию о широте и долготе, а некоторые могут также вычислить высоту. Система GPS состоит из 24 навигационных спутников, которые вращаются по 6 орбитам и высота которых составляет около 20000 км. Информация со спутника может быть принята антенной и обрабатывается с помощью GPS-приемника, который работает на фиксированной частоте. Каждый из спутников постоянно излучает сигнал, передающий данные о параметрах орбиты и точном времени. Таким образом для вычисления расстояния системе нужно определить время задержки распространения сигнала от посылки его спутником до приема антенной GPS-приемника.

Первый ручной навигатор Plus Fours Routefinder

История

Первый ручной "навигатор" Plus Fours Routefinder был изготовлен в Великобритании в 1920 году. Внешне он напоминал ручные часы, и состоял из бумажной карты и двух деревянных рукояток, которые необходимо было прокручивать вручную. В комплекте шла коробочка с картами. Спустя десятилетие был создан простенький механический навигатор. Принцип работы устройства был достаточно элементарен. На экране прокручивалась бумажная карта с нанесенными на нее графическими объектами. В движение она приводилась тросиком, аналогичным используемому в современных механических спидометрах. Соответственно, скорость прокручивания карты была пропорциональна скорости движения автомобиля. Если автомобилист совершал поворот, ему приходилось сменить карту и найти на ней свое текущее местоположение. Современные автомобильные навигаторы, получившие название GPS (Global Positioning System), обязаны своему появлению военным, и имеют более, чем полувековую историю. Началась она 4 октября 1947 года, когда советские учёные вывели на орбиту первый искусственный спутник Земли. Наблюдения за этим орбитальным модулем американских исследователей во главе с Ричардом Кершнером позволили выяснить зависимость частоты радиосигналов, излучаемых спутником, от его координат и параметров движения. Это физическое явление, подтверждающее известный закон Доплера, легло в основу разработки и запуска первого аналога современной системы GPS-навигации – американского проекта «TRANSIT», который стартовал в 1958 году. А в 1960 американские спутники на орбите образовали первую рабочую систему мониторинга и определения координат объектов, перемещающихся по земной поверхности.

Устройство

Аппаратная часть

В GPS-навигаторе присутствуют несколько важных компонентов, от которых во многом зависит точность и качество работы прибора:

• GPS-чипсет — набор микросхем,в котором процессор - самая важная часть. Процессор обеспечивает работу всего устройства, а также обрабатывает спутниковый сигнал, поступающий от GPS-модуля, вычисляя координаты.
• GPS-антенна настроена на частоты, на которых передаются данные навигационных спутников.
• Дисплей для отображения информации.
• Оперативная память обеспечивает быстродействие навигатора.
• Память BIOS обеспечивает связь аппаратной и программной части.
• Встроенная Flash-память используется для хранения операционной системы, ПО и пользовательских данных.
• Другие элементы платы – GPRS-модуль, Bluetooth модуль, радиоприемник и т.д. Наличие этих элементов зависит от архитектуры конкретной модели навигатора.
• Разъемы (внешние интерфейсы) – разъем внешнего питания, гнездо для подключения наушников, слоты для карт памяти и SIM-карт. Набор разъемов зависит от особенностей конкретной модели навигатора.

Программная часть.

В общем случае программная часть состоит из BIOS, операционной системы, программной оболочки, навигационных программ и дополнительных приложений.

• BIOS – микропрограмма, обеспечивающая операционной системе API доступа к аппаратуре навигатора.
• Операционная система – собственная ОС (как правило, на базе существующих) или ОС стороннего производителя. Наиболее популярная ОС стороннего производителя – Windows CE
• Программная оболочка, обеспечивающая удобную работу с программным обеспечением навигатора и содержащая необходимые библиотеки для корректной работы программ.
• Навигационная программа – собственная разработка или ПО стороннего производителя. Наиболее популярные навигационные программы сторонних производителей – CityGuide, Навител Навигатор, Автоспутник, ПроГород и другие.
• Дополнительные приложения – мультимедийные приложения, игры и другие программы, как правило, предустановленные производителем.

В навигаторах некоторых производителей отдельные элементы программной части могут быть объединены. Например, функции программной оболочки может выполнять операционная система, а дополнительные приложения входить состав навигационной системы.

Автомобильные навигаторы

Современные автомобильные навигаторы способны прокладывать маршрут с учётом организации дорожного движения и осуществлять адресный поиск. Они могут обладать обширной базой объектов инфраструктуры, которая служит для быстрого поиска пунктов общественного питания, автозаправочных станций, мест для стоянок и отдыха. Некоторые модели способны принимать и учитывать при прокладке маршрута информацию о ситуации на дорогах, по возможности избегая серьёзных транспортных заторов. Данные о пробках могут быть получены навигатором посредством мобильной связи (по GPRS протоколу), или из радиоэфира по каналам RDS диапазона FM.

Помимо GPS-навигаторов в продаже есть устройства, способные одновременно работать и с GPS, и с ГЛОНАСС. Массовое производство двухсистемных навигаторов началось в мае 2010-го года: в продаже одновременно появились навигаторы Lexand SG-555 и Explay GN-510. Сегодня модели с поддержкой ГЛОНАСС и GPS есть в продуктовых линейках Explay, Lexand, Prestigio, Prology и некоторых других торговых марок. Доля таких устройств в общем годовом объеме продаж навигаторов достигает 6,6%. Сравнительный тест навигатора с ГЛОНАСС/GPS Lexand SG-555 и GPS-навигатора Lexand ST-5350 HD проводила газета Ведомости.

Туристические навигаторы

Портативные туристические навигаторы предназначены для туризма (водного, горного, пешего) и активного отдыха. Как правило, такие навигаторы имеют противоударный и водонепроницаемый (по стандарту IPX7) корпус, способны работать и принимать спутниковый сигнал в самых сложных условиях густого леса и горной местности. Многие модели имеют возможность использования карт местности. Кроме того, они могут оснащаться дополнительными возможностями, которые могут пригодиться в дальнем походе, среди которых магнитный компас и барометрический высотомер.

Спортивные навигаторы

Используются на тренировках и во время соревнований спортсменами, занимающимися циклическими видами спорта на открытом воздухе (бег, лыжные гонки, велосипед). Обеспечивают совместную регистрацию параметров состояния организма спортсмена (частота сердечных сокращений) совместно с параметрами движения (траектория, скорость, пройденный путь, набор высоты). Исполнение - влагонепроницаемое, ударозащищенное, с минимальными габаритами и весом. Выполняются в корпусе наручных часов для ношения на руке, в прямоугольном корпусе для крепления на руль велосипеда. Оснащаются внешними датчиками (контактный датчик сердечных сокращений, датчик оборота педалей велосипеда, датчик шагов), которые обмениваются данными с основным прибором по радиоканалу. Могут оснащаться встроенным барометрическим альтиметром. Сообщают спортсмену требуемую информацию с помощью собственного дисплея, звуковыми и вибросигналами. Получают заранее подготовленное задание на тренировку (дистанция, темп движения, заданное направление движения, частота сердечных сокращений) из персонального компьютера. Записывают данные в собственную энергонезависимую память для последующей передачи в персональный компьютер для анализа тренировки или выступления и ведения спортивного дневника.

Карты в GPS-навигаторах

Наличие карты существенно улучшает пользовательские характеристики навигатора. Навигаторы с картами показывают положение не только самого приёмника, но и объектов вокруг него. Все электронные GPS-карты можно поделить на два основных типа — векторные и растровые.

Растровые карты — это самый простой и доступный тип карт. Фактически это изображение местности, к которому привязываются географические координаты. Масштаб растровой карты напрямую зависит от исходного варианта; или это фотография со спутника, или отсканированная бумажная карта. В России лучше всего представлены растровые карты крупных городов, для других районов карты найти проблематично. Также есть проблема привязки координат карты к координатам, выдаваемым приёмником (проблема датума). На платформах Windows и Windows Mobile, для использования растровых карт, доступна популярная программа OziExplorer. Так же огромный массив растровых (фотографических и растеризованных векторных) карт и средства работы с ними, включая поддержку работы с GPS-приёмниками, предоставляют такие интернет-сервисы, как Карты Google, Яндекс. Карты, OpenStreetMap и др.

Векторные карты представляют собой базу данных, где хранится информация об объектах, их характеристиках и взаимном месторасположении, географических координатах и прочем. В картах могут храниться разнообразные характеристики местности: горы, реки, озера, впадины, дороги, мосты, уровни антропогенных загрязнений, типы растительности, расположение ЛЭП. Также многие подробные карты хранят множество таких объектов, как заправки, гостиницы, кафе и рестораны, стоянки, посты дорожной полиции, запрещённые к проезду зоны, достопримечательности и памятники, культурные артефакты, больницы.

Поскольку в них не содержится объёмных графических изображений, места в памяти они занимают гораздо меньше, чем растровые и быстрее работают. Безусловным преимуществом векторных карт является возможность осуществлять адресный поиск, а также поиск ближайших к заданной точке объектов инфраструктуры. Кроме того, векторные карты позволяют показывать разную детализацию объектов при отображении карты в разных масштабах.

Существуют навигационные системы, позволяющие пользователю дополнять карты навигатора своими собственными объектами.

В специализированных автомобильных GPS-навигаторах существует возможность прокладывать маршруты по векторной навигационной карте — с учётом дорожных знаков, разрешённых поворотов и даже дорожных пробок.

При подготовке туристических походов в ряде случаев разумным является рисование собственных карт района будущего путешествия. Такая карта рисуется с помощью специализированного векторного графического редактора — и может быть сохранена в векторном формате, пригодном для загрузки в GPS-приемник. Таким образом, количество и качество туристических карт для GPS также со временем растет. Наиболее современные модели навигаторов позволяют загружать карты в растровых форматах (Garmin Oregon, Dakota и т.п.)