Александр ЛЕОНЕЦ, Владимир ВАСИЛЕНКО 2 ' 99
 

Навигация

для всех

 
 
Глобальные спутниковые системы позиционирования, наиболее известными из которых являются Global Positioning Systems — GPS (США) и ГЛОНАСС (Россия), позволяют определять координаты с точностью до десятков метров. Использовать указанные системы можно совершенно свободно, правда, для этого нужен специальный приемник.
            Развертывание спутниковых радионавигационных систем (СРНС) создает качественно новую ситуацию на рынке систем навигации, которая по своим последствиям близка к перевороту, сделанному персональными ЭВМ в области обработки информации. Вместо дорогих, уникальных систем навигации появились приемники спутниковых навигационных систем, доведенные до размера микрокалькулятора, стоимостью от сотен до нескольких тысяч долларов. Они позволяют непрерывно определять координаты подвижных объектов в любой точке земного шара, с погрешностью от нескольких сантиметров до нескольких десятков метров при любых метеоусловиях.
            Благодаря уникальным возможностям СРНС и бесплатному доступу к сигналам навигационных спутников, их область применения постоянно расширяется. Они хорошо вписываются в комплекс информационных технологий и в ближайшее время станут такими же привычными и незаменимыми, как и персональный компьютер. По оценкам экспертов, только в США рынок потребления навигационной информации GPS составляет около 8 млрд. долларов в год, а развитие информационных технологий для транспортно-диспетчерских служб находится под личным контролем Президента США.
            Европейский рынок технологий СРНС оценивается на ближайшие годы в 40 млрд. EURO.

Интеграция спутниковых систем

            Наибольший эффект от применения СРНС получается при интеграции их с системами радиосвязи и инерциальными навигационными системами. Системы связи не только придают им новые потребительские качества (возможность передачи координат объекта на диспетчерский пункт), но и позволяют в несколько раз повысить точность и достоверность определения координат путем передачи дифференциальных поправок и информации о целостности навигационного поля. Дифференциальные поправки передаются по локальным радиосетям или через спутники связи, например ИНМАРСАТ, или передатчики радионавигационной системы «Лоран-С».
            Интеграция СРНС с инерциальными навигационными системами повышает надежность определения координат до требуемого уровня (что особенно важно для потребителей, работающих в условиях повышенного риска, например, при посадке воздушного судна), обеспечивает работоспособность комплекса при кратковременной потере видимости спутников, при затенении их высокими зданиями, складками местности, при резком маневре объекта и т.д. Кроме того, появляется возможность определять ориентацию объекта в пространстве. Сделать это методами лишь спутниковой навигации достаточно сложно. Ввод с инерциального блока в приемник GPS сигналов о скоростях и координатах сокращает время захвата сигналов спутников, повышает точность и помехоустойчивость определения координат. Применение микромеханических датчиков линейных ускорений (акселерометров) и угловых скоростей (гироскопов) позволяет сделать инерциальные блоки соизмеримыми по цене с приемниками GPS.
            Для уменьшения зависимости потребителей от американских и российских систем в настоящее время реализуется ряд проектов по объединению спутниковых систем связи и навигации. В частности, навигационное дополнение имеют или будут иметь спутниковые системы связи INMARSAT-III, IRIDIUM, GLOBALSTAR, TELEDESIC.
            В настоящее время в Европе разрабатывается проект GALILEO, участие в котором весьма важно и перспективно для Украины. В начале третьего тысячелетия в Украине планируется проведение исследований радионавигационных систем на базе низкоорбитальных микроспутников.

Персональные системы

 
Приемники GPS для индивидуального пользования
Рис.1. Приемники GPS для индивидуального пользования
            Наиболее распространенными являются приемники СРНС для индивидуального пользования водителями автомобильного транспорта. Они имеют размер карманного калькулятора с клавиатурой и жидкокристаллическим дисплеем, на котором отображаются координаты пользователя, курс, расстояние и направление до контрольных точек маршрута, пройденный маршрут движения, карта местности, параметры видимых спутников (рис. 1). Стоимость такого приемника колеблется от  100 до  1000 долларов (таблица 1). В Украине их можно приобрести в МНИИ ПМ «Ритм», ТЭКОН, MADECO, MARCOM.
            Для индивидуального пользования разработаны также устройства, которые представляют собой специальные портативные компьютеры с навигационной программой и цифровой картой, текущий фрагмент которой высвечивается на миниатюрном ЖК-дисплее. Примером могут служить приборы «CARIN» — Car Information and Navigation (Philips), «Travelpilot» (Bosch) и др. Это, по сути, электронные лоцманы, дающие указания водителю синтезированным голосом, заранее сообщая обо всех поворотах, стоянках и прочих особенностях данного маршрута.
 
Таблица 1. Навигационные приборы для индивидуального пользования
Наименование Цена обору- 
дования, $
Предназначение
GPS 2000 270 Ручной навигатор с графическим дисплеем
GPS 2000XL 330 - “ -
GPS 3000XL 420 - “ -
MERIDIAN XL 465 Ручной навигатор со съемной антенной и дополнительными 
графическими навигационными окнами, память на 200 точек
MAGELLAN NAV DLX-10 800 То же, но память на 1000 точек. Рассчитывает несколько маршрутов
NAV 6000 900 LCD PLOTTER со встроенным приемником GPS, переносной
NAV 6500 1300 LCD PLOTTER с встроенным приемником GPS, стационарный
            Для точного определения своего местонахождения компьютер получает информацию от трех источников: от GPS-приемника, от электронного компаса и от датчиков пройденного пути, установленных на колесах. В считанные секунды с момента включения зажигания (и питания) система определяет свое местонахождение с точностью +/- 100 м, а затем, используя базу данных в CD-ROM, уточняет его до +/- 10 м. Достаточно указать с помощью специальных символов на дисплее конец маршрута, и через 5 секунд компьютер выдаст оптимальную траекторию движения.
 
Персональные системы позиционирования...
Рис. 2. Персональные системы позиционирования на основе магнитных карт
            Наибольшее распространение эти системы получили в европейских странах, где почти для любой местности составлены электронные цифровые карты. Диапазон цен на это оборудование простирается от 1500 до 7500 DM. Но есть и более доступные по цене навигационные приборы, например «Филипс-Рутфайндер», которые по внешнему виду напоминают электронную записную книжку и стоят около 500 DM. Вводя с клавиатуры исходный пункт и место назначения, пользователь менее чем за минуту получает детальное описание маршрута, длительность пути, время прибытия в конечный пункт и другие параметры. База данных для вычислений хранится на магнитной карточке, которая вставляется в считывающее устройство «Рутфайндера». Этим прибором можно пользоваться даже при пеших прогулках по незнакомому городу (рис. 2).

Диспетчерские системы

            В последнее время получает широкое распространение весьма удачная интеграция GPS, радиосвязи и компьютерной техники — диспетчерские навигационные системы (таблица 2), предназначенные для централизованного контроля за передвижением нескольких десятков грузовых автомобилей по территории, обслуживаемой данной транспортной компанией. В этих системах каждый автомобиль оснащен GPS-приемником и радиосвязным оборудованием для контакта с диспетчерским пунктом. На экране монитора диспетчера формируется электронная цифровая карта территории, которая обслуживается транспортными средствами. Закодированная информация о координатах и скорости движения автомобилей, получаемая по радиоканалу, позволяет отобразить их текущее положение на этой карте. Работа с последней полностью автоматизирована: можно на компьютере определить несколько «окон» и в каждом организовать слежение за одной, несколькими или всеми машинами. Программа работы с картой сама выбирает необходимый масштаб, переходит с листа на лист и т. п. Параллельно этой информации по радиолинии могут автоматически передаваться сведения от самых разных датчиков, установленных на грузовом автомобиле: например, о несанкционированном вскрытии контейнеров, о наличии топлива, об остановках, ДТП, авариях и т. п.
 
Таблица 2. Диспетчерские навигационные системы
Наименование Производитель Цена бортового оборудования, $ Цена диспетчерского места, $ Предназначение
PC Vtrak Trimble Navigation (США) 1200* 12500* Диспетчеризация небольшого транспортного парка, до 35 машин в пределах города
GPS/AVL Subsystem Trimble Navigation (США) 3500* 100000** Система слежения и контроля за большим парком, до 1000 машин в пределах города
Logic Dispatch Simac Systems (Голландия) 6300* 16000* Диспетчеризация грузоперевозок на больших расстояниях, для связи используется спутниковая система Inmarsat-C
Система определения координат подвижных объектов ECOMM, «Банкомсвязь» (Украина) 2700 8000 Диспетчерская система в пределах города, используется аппаратура сотовой связи
* Без учета радиосвязного оборудования. 
** Без учета радиосвязного оборудования и цифровой карты.
            Информация может идти и в обратном направлении — от диспетчера к водителю, например, команды об изменении маршрута или времени доставки груза. При этом все сообщения автоматически записываются в архив, и при необходимости последовательность всех событий и действий персонала может быть восстановлена. Такие диспетчерские GPS-системы могут успешно использоваться также в поисковых и аварийных службах, рыбнадзоре, инкассации банков, в МВД и т. п. Элементы таких систем могут скрытно устанавливаться в дорогих моделях автомобилей. В случае попытки угона устройство автоматически сообщает координаты автомобиля, по которым соответствующая служба может его найти. В Украине такие системы предлагаются МНИИ ПМ «Ритм», ТЭКОН, ГП «Укркосмос», ЕСОММ, «Банкомсвязь», ЗАО УКРТРАКС, ТРАНСЭКСПО.

Спутниковая топография

 
Проведение топографических работ на местности
Рис.3. Проведение топографических работ на местности
 
Таблица 3. Топографические навигационные системы
Наименование Производитель Цена оборудования, $
4600 LS Surveyor Trimble Navigation (США) 7500
4000 SSE Geodetic Surveyor Trimble Navigation (США) 33000
SR 261 Leica (Швейцария) 18000
Geotracer 2100 Geotronics (Швеция) 13000
GePoS RS 12 Carl Zeiss (Германия) 8600
GSSR1A Sokkia (Япония) 7300
Примечание: Все топографические системы, приведенные в таблице, определяют расстояние в статическом режиме с погрешностью 5 мм + 1 мм/км.
 
Оборудование для проведения землемерных и топографических работ
Рис.4. Оборудование для проведения землемерных и топографических работ
            Весьма эффективным является применение аппаратуры GPS при выполнении землемерных и топографических работ (рис. 3). При использовании двух GPS-приемников, работающих в дифференциальном режиме, реально достижимая погрешность измерений не превышает +/-1 см. Результаты полевых измерений записываются на магнитные карты. После обхода всего поля информация переписывается в компьютер, обрабатывается и выдается в виде списка координат или в виде графического плана земельного участка.
            Вся эта аппаратура (рис. 4) достаточно надежна, компактна и, конечно же, дорогостояща (таблица 3).

Позиционирование без проблем?

            Разработка готовых к серийному выпуску навигационных систем и, прежде всего, изготовление на CD-ROM подробных электронных цифровых карт требует больших затрат средств и времени. Поэтому для большинства районов Украины (и всего СНГ) такие карты еще не составлены. Стоимость одного листа цифровой карты на рынке Украины колеблется в пределах от 200 до 1000 долларов в зависимости от количества слоев. Такие карты вместе с необходимым программным обеспечением могут быть приобретены, в частности, в НПЦ «Геодезкартинформатика».
            Но для индивидуального пользователя существует очень простое и эффективное решение — сочетание GPS-приемника с устройством, которое автоматически показывает местоположение подвижного объекта на обычной бумажной географической карте. Важным обстоятельством является и то, что потенциальные пользователи имеют значительно больший навык работы с последними, чем с геоинформационными системами.
Планшет «Ритм» для позиционирования с помощью карты
Рис. 5. Внешний вид планшета «Ритм» для позиционирования с помощью карты

            Устройство, разработанное МНИИ ПМ «Ритм», представляет собой плоский двухкоординатный планшет размером не больше обычной канцелярской папки и весом 0,8 кг. Внешний вид планшета показан на рис. 5. Бумажная карта, сложенная или разрезанная на фрагменты, размером 250х210 мм помещена в специальный поддон, пристегивающийся снизу прозрачного основания планшета. Поверх основания расположены две прозрачные линейки-визиры, указывающие долготу и широту, а их перекрестие, перемещаясь, отслеживает траекторию движения объекта. С помощью кнопочной клавиатуры можно устанавливать перекрестие визиров в точку на карте, соответствующую началу движения, или выбирать нужный масштаб — один из четырех возможных. В ночное время карту можно подсвечивать микролампочками, установленными по контуру рабочего поля планшета.
            Для питания GPS-приемника и планшета требуется источник постоянного напряжения 12 +/-1 В, (можно от бортовой сети), суммарная потребляемая мощность 4,5 Вт. Погрешность показаний определяется погрешностью GPS-приемника: +/- 50 м. Стоимость приемника около 300 у.е., стоимость серийного образца планшета — 150 у.е.

Сведения об авторах:
ЛЕОНЕЦ Александр Адамович, д.т.н.,
зав отделением
МНИИ проблем механики «Ритм»;
ВАСИЛЕНКО Владимир Иванович, к.т.н., с.н.с.,
(044) 274-20-17, 441-10-07,
kovalenko@ritm.freenet.kiev.ua


ГЛОССАРИЙ

СРНС — спутниковая радионавигационная система.
GPS (Global Positioning Systems) — глобальная система позиционирования.
ГЛОНАСС — глобальная навигационная спутниковая система.
SPS (Standard Positioning Service) — стандартная точность измерений.
PPS (Precise Positioning Service) — прецизионное определение местоположения.
NAVSTAR (NAVigation System with Time And Ranging) — навигационная система определения времени и дальности.
C/A (Coarse Acquisition) — грубый захват.
SA (Selective Availability) — избирательный доступ.
 
в начало "Сети и телекоммуникации" 2' 1999