Статьи

Перспективы ГЛОНАСС/GPS навигатора

 

Еще несколько лет назад словосочетание "спутниковый навигатор" неразрывно ассоциировалось с военной тематикой и засекреченными недоступными технологиями. По сути, так оно и было, однако за довольно короткий промежуток времени навигационная аппаратура проделала немалый путь от специализированного узко форматного оборудования до жизненно необходимого и  доступного помощника любого автомобилиста, дачника или путешественника.

Для начала, разберемся с самим термином "навигатор". Система "спутниковый навигатор"  позволяет пользователю данного устройства определить свое местоположение (координаты) путем получения радиосигнала с информацией со спутников, кружащих на своих орбитах вокруг Земли. На данный момент существую три Глобальные Навигационные Спутниковые Системы ( GNSS - Global Navigation Satellite Systems):

 

GPS.JPGNAVSTAR GPS - Global Positioning System. Система, разработанная и запущенная в эксплуатацию Министерством обороны США. Стоит заметить, что на сегодня NAVSTAR GPS - единственная спутниковая навигационная система, прошедшая все этапы разработок, тестов и настроек, а посему все так же единственная полноценно функционирующая навигационная система. Безусловно, тот факт, что разработка и контроль NAVSTAR GPS полностью принадлежит США, во многом диктует неоднозначное отношение к данной системе других стран, однако потребительские качества устройств, снабженных датчиком приема GPS сигнала, никто оспаривать не берется.

Спутниковая навигационная система GPS состоит из 32 спутников, находящихся на 6 орбитах высотой около 20200 км над поверхностью Земли. Спутники передвигаются со скоростью около 3 км/сек, совершая два полных оборота вокруг планеты менее чем за 24 часа.

·               Первый спутник GPS был запущен в 1978 году

·               Полное созвездие из 32 спутников заработало в 1994 году

·               Средний срок службы одного спутника приблизительно 10 лет

·               Спутник GPS весит приблизительно 900 кг и имеет размер 5 м

·               Мощность передатчика — 50 ватт

 

GLONASS.JPGГЛОНАСС - глобальная навигационная спутниковая система, разработанная по заказу Министерства обороны СССР. В наши дни, система переживает "второе рождение" и находится на этапе полного развертывания спутниковой группировки. По мнению разработчиков и инженеров, участвующих в запуске и контроле навигационной системы, со временем ГЛОНАСС будет превосходить NAVSTAR GPS по своим технических характеристикам. На текущий момент ГЛОНАСС используется в потребительском сегменте совместно с NAVSTAR GPS.

В ГЛОНАСС применяются спутники на 3-х круговых геоцентрических орбитах с высотой 19100 км над поверхностью земли и наклонением 64,8°. Период обращения спутника — 11 часов 15 минут. Общее количество спутников, необходимых для формирования непрерывного навигационного сигнала над всей поверхностью Земли — 24. Одним из преимуществ системы ГЛОНАСС является расположение навигационных спутников: благодаря орбитальному отклонению спутников в 3-х плановом созвездии навигационный сигнал менее подвержен помехам от зданий, что приводит к снижению геометрического фактора ухудшения точности.

·               Первый спутник ГЛОНАСС был запущен 12 октября 1982 года

·               Полное созвездие из 24 спутников обеспечено в начале 2011 г.

·               Средний срок службы спутника ГЛОНАСС приблизительно 7 лет

·               Спутник ГЛОНАСС-М имеет вес 1415 кг

 

GALILEO.JPGGALILEO - навигационная спутниковая система, разработка которой принадлежит странам Евросоюза. Так же как и ГЛОНАСС, Galileo находится на ступени развертывания спутниковой группировки. Радикальным отличием от предыдущих двух навигационных систем является тот факт, что сигнал от спутников ГЛОНАСС или же NAVSTAR GPS на устройствах с приемником Galileo приниматься не будет, что повлечет за собой развитие совершенно новой ветки навигационного оборудования.

 

Существуют разработки в области навигации и в других странах, но их эксплуатация пока еще не начата, а зона действия будет ограничиваться территорией стран разработчиков.

Для успешной работы навигатора необходимо успешное функционирование трех связующих сегментов: космический сегмент (спутниковая группировка); наземный сегмент (базы, из которых осуществляется контроль, слежение и управление общей системой навигации); потребительский сегмент(навигатор, находящийся в использовании конечным потребителем), а также должна быть выполнена правильная настройка навигаторов.



sputnik.JPGСпутниковая система навигации должна иметь 24 спутника, двигающихся на определенном равноудаленном расстоянии от Земли в трех плоскостях. Каждый из спутников находится под определенным углом к поверхности Земли, числовое значение угла для всех спутников одно. Подобное расположение спутников позволяет принимать сигнал не только на суше, но и в воздухе и на море. Для корректного расчета координат навигатор должен получить сведения не менее чем от 3 спутников. Каждый спутник, в свою очередь, способен передать два вида сигнала: альманаха и эфемерид. Альманах содержит информацию об орбитах всех спутников (эти данные можно считать данными длительного пользования, они могут сохраняться в памяти навигатора в течение нескольких месяцев); данные альманаха позволяют навигатору сузить зону поиска спутника и снизить время "захвата" сигнала спутника. Данные эфемерид для каждого спутника свои; логично предположить, что они обновляются достаточно часто, поэтому для определения точного местоположения спутника навигатор должен получить полный пакет данных эфемерид с информацией о параметрах орбит и часов спутников. Обладая данными о "захваченных"  спутниках,  навигатор, начинает непрерывное считывание сигналов от спутников, измеряя при этом время прохождения сигналов (а с учетом заложенной в любом навигаторе информации о скорости света,  навигатор способен рассчитать расстояние до спутников). Применяя полученные и уже имеющиеся данные, навигатор вычисляет свои координаты. Необходимость получения данных от трех спутников обусловлена тем, что условия измерения и приема сигналов не идеальны, а посему некая "избыточность" информации лишь конкретизирует данные, снижая диапазон погрешности.

Рассмотрим более подробно основные характеристики навигатора.

 

start.JPGВо-первых, понятие "старта" навигатора. Тут выделяют три типа:

- "горячий старт" - местоположение навигатора определяется в течении нескольких секунд;

- "теплый старт" - местоположение навигатора определяется в течении нескольких десятков секунд;

- "холодный старт" - поиск местоположения навигатора может занять до десяти минут.

Каждый из типов стартов обусловлен длительностью отключения от работы навигатора, а если точнее, то необходимостью сбора информации альманаха и эфемерид. Как уже было рассмотрено ранее: информацию об альманахе спутников (самое длительный - "холодный старт") приходится запрашивать и ожидать в том случае, если навигатор находился в выключенном состоянии более нескольких недель, либо был перевезен с места последнего включения на несколько сотен километров, не будучи при этом включенным. Само собой разумеется, что "холодный старт" следует ожидать в любом случае при самом первом включении навигатора. При "теплом старте" необходимо вновь получить данные эфемерид, имея уже актуальные сведения об альманахе - случай, когда навигатор отключался ненадолго, на срок больше, чем 30-40 минут. "Горячий старт" произойдет всегда, когда навигатор не функционировал менее 30 минут, либо на короткое время потерял спутники из видимости.

Во-вторых, точность позиционирования - крайне важный показатель для навигатора. Этот параметр напрямую зависит от количества "видимых" в данный конкретный момент спутников, чем их больше, тем выше точность определения местоположения навигатора. Учитывая тот факт, что информация от спутника к навигатору поступает путем передачи радиосигнала, то и помех на пути такого сигнала может быть немало:  рельеф местности, застройки, монолитные конструкции, даже густые лесные и парковые массивы могут создать помехи для приема сигнала. Идеальными условиями в данном случае будут являться открытые местности, автострады. На сегодня допустимой погрешностью в определении местоположения в большинстве навигаторов считается 18-30м в городских условиях и 1-2 метра на открытой местности при хорошей видимости спутников.

Так как навигатор становится все более популярным устройством среди автолюбителей, путешественников, туристов, дачников, то вопрос удобства использования данного устройства нельзя не принимать во внимание. Учитывая тот факт, что навигаторы устанавливаются не только в специализированных устройствах (автомобильные бортовые компьютеры, автономные  трекеры), но и в таких повседневных гаджетах как смартфон, ноутбук, КПК, многие производители картографических систем взялись за разработку и продвижение своих приложений для различных платформ. Единым у всех остается лишь система взаимодействия с устройством: у каждого разработчика картографических систем есть деление на оболочку (интерфейс, настройки, функционал) и непосредственно карты. Данное разделение обусловлено тем, что пользователь должен иметь возможность использовать те карты местности для своего навигатора, которые в данный момент ему необходимы; плюс ко всему при загрузке карт в память устройства, а в дальнейшем - время на обращение к ним должно быть сведено к минимуму. Конкуренция на рынке разработчиков картографических систем для навигации как никогда высока. Карты для навигатора разработаны практически на все имеющиеся платформы (Windows, Windows CE, Windows Mobile, Symbian, iPhone OS, Android, Java, Brew). Пользователю остается только сделать выбор в пользу удобства. Многие карты для навигатора умеют не только показать местоположение, но и проложить маршрут с голосовыми подсказками, для удобства пользователя, принимая во внимание дорожную обстановку, определить альтернативный маршрут следования. Никакие атласы или бумажные карты не способны оказать такое содействие путешественнику или автомобилисту, как корректно настроенная система навигации с грамотно подобранными картами.

На выбор пользователя сегодня представлены карты для навигатора практически любого уголка мира: отдельные города или целые страны, детализированные мегаполисы с номерами домов или карты дорог и скоростных магистралей, места интересов (poi объекты) или станции техобслуживания, сложные развилки и съезды или посты ДПС и места установок камер видеонаблюдения. Карты России, Скандинавии, Европы, стран СНГ, Китая, столиц, небольших городков и деревень - для навигатора нет сегодня мест, которые он бы не знал. Пользователь может выбрать режим отображения карт для навигатора (2D или 3D, ночной или дневной); определить удобный для восприятия масштаб карт; настроить функции учета дорожной обстановки и пробок; даже выбрать голос, которым навигатор будет корректировать и подсказывать маршрут.

Подводя итог, можно с уверенностью сказать, что навигаторы становятся столь же неотъемлемой частью нашей жизни, как и компьютеры и мобильные телефоны. Эти устройства снимают со своих владельцев многие задачи, решение которых раньше занимало большое количество времени.

Через 5-10 лет спутниковая навигация станет неотъемлемой частью инфраструктуры любой развитой страны. Она поможет оптимизировать движение транспорта, решать проблемы пробок в крупных городах, повышать безопасность перевозок грузов и людей и еще много-много всего.

Не стоит забывать, что у единственной на сегодняшний момент на 100% развернутой навигационной системы ― американской GPS есть целый ряд недостатков. Первый и самый главный ― чисто политический. В 1999 году, когда Штаты бомбили Югославию, сигнал GPS был хитро модифицирован так, что рядовые потребители в Европе не могли точно определить свои координаты. Штатовские военные могли, а простые европейцы ― нет. Никто не мешает правительству США сделать такое селективное «загрубление» сигнала снова в любой момент, когда американскому правительству не понравится «поведение» какой-либо из стран. Помимо «политического недостатка», есть еще и технологический. Ввиду особенностей построения система GPS не очень хорошо работает в северных широтах и вообще не работает над Северным полюсом.

В мире пока существует лишь несколько стран, обладающих технологиями и ресурсами, позволяющими создать свою собственную спутниковую навигационную систему, аналогичную GPS. И хотя проектов таких систем насчитывается уже несколько (Европейский Galileo, китайская ― Бэйдоу), лишь одна страна в мире (помимо США) смогла на сегодня осуществить реально массовое развертывание навигационной спутниковой группировки ― Россия.

В настоящее время у ближайших конкурентов ― европейской системе Galileo  запущен пока только два опытных  спутника и у Китайской Бейдоу – только 6 спутников. Полное развертывание Galileo планируется не ранее 2014 года, Бейдоу – на 2020 год. То есть, наша система имеет колоссальную фору по времени.

Несмотря на то, что ГЛОНАСС все еще отстает от GPS, наше оборудование уже вполне работоспособно на уровне государства и корпораций: на танках, самолетах, пароходах и поездах. На системах мониторинга транспорта, на системах контроля за движением, системах быстрого реагирования в чрезвычайных ситуациях. Везде, где не критичны размеры устройств, не требуется мобильность и портативность. И не очень критична цена установки.

С потребительским оборудованием несколько сложнее. Здесь нужны приемники сигнала компактные, энергоемкие, и, что самое главное, дешевые. Но и здесь виден «свет в конце тоннеля». Новое поколение приемников, которое сейчас разрабатывают российские предприятия, вплотную подошло по характеристикам и по цене к тому, что мы уже имеем на открытом рынке GPS-компонентов. Первое потребительское оборудование, которое будет не стыдно сравнивать GPS-навигаторами, появится в 2011 году. А там не далеко и до телефонов с ГЛОНАСС.

Среди производителей ГЛОНАСС-оборудования исповедуются два подхода.

Первый подход у ОАО «Российский институт радионавигации и времени» (РИРВ). Они, обладая не только конструкторским бюро, но и обширными производственными мощностями, делают навигатор «от начала и до конца». Так, протестированный недавно серийный образец ГЛОНАСС/GPS-навигатора РИРВ НТ-1813 целиком создан на этом предприятии. Это устройство, избавленное от свойственных китайцам представлений о данном классе техники, по сумме потребительских характеристик превосходит аналоги того же ценового диапазона.

В ЗАО КБ НАВИС сосредоточили внимание на создании модуля ГЛОНАСС/GPS, который может быть легко интегрирован практически в любую модель навигатора. Сами ГЛОНАСС/GPS-чипсеты планируется производить на заводах Fujitsu в Японии, где есть производственные мощности соответствующего уровня. В ЗАО КБ НАВИС обещают, что модели ГЛОНАСС/GPS-навигаторов на основе их чипсетов появились уже в этом году. Правда события в Японии последних месяцев, связанные с авариями на атомных станциях, несколько затягивают начало их производства.

Есть и другие компании, разрабатывающие ГЛОНАСС-навигаторы и модули, в частности, на ОАО «Ижевский радиозавод» производят автомобильный ГЛОНАСС/GPS-навигатор «Сириус». «Сириус имеет встроенный аккумулятор и встроенную ГЛОНАСС-антенну.


(По материалам Интернет изданий)

Начальник радиотехнического отдела

кандидат технических наук

старший научный сотрудник

Артюшкин В.Л.