Навигационные системы: Дорогу видно из космоса

Спутниковые навигационные системы используются уже 40 лет. Но если еще 10 лет назад они применялись преимущественно на судах, то теперь в качестве опций устанавливаются на многие автомобили. Что же они представляют собой на современном этапе развития?

В космический сегмент GPS Navstar входит 24 спутника, расположенных на шести орбитах на высоте около 20000 км. Они «покрывают» своими сигналами большую часть поверхности Земли. Спутниковая система навигации в обычном режиме предполагает погрешность 10 – 30 м. Дифференциальный режим спутниковой системы позволяет измерять координаты с точностью до 1 м.

Спутниковые навигационные системы используются уже 40 лет. Но если еще 10 лет назад они применялись преимущественно на судах, то теперь в качестве опций устанавливаются на многие автомобили. Что же они представляют собой на современном этапе развития?

В настоящее время только Россия и Соединенные Штаты Америки располагают комплексом средств, обеспечивающих спутниковую навигацию. В России это ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система), в США – GPS (Global Positional System – глобальная система позиционирования) Navstar.

Украина относится к тем немногим государствам, научно-технический и производственный потенциал которых позволяет создать спутниковые навигационные системы (СНС). В Украине производятся ракеты-носители, спутники, приемоиндикаторы (аппаратура пользователя). Однако создание СНС – очень дорогостоящий проект. Нашей стране он не под силу, да и необходимости такой нет. В настоящее время Европейский Союз разрабатывает собственную СНС. В ее создании принимает участие и Украина, о чем недавно подписано соответствующее соглашение. На разработку системы, получившей название Galileo, выделено 4,2 миллиарда евро. Планируется, что она начнет действовать в 2008 году.

Следить за всем

Уже сейчас сигналы спутников GPS и ГЛОНАСС можно использовать как по отдельности, так и совместно. Второй режим работы обозначают GNSS. Современная СНС состоит из нескольких компонентов – космического и наземного. Космический сегмент – это спутники, являющиеся опорными навигационными точками. Они движутся на высоте около 20000 километров над Землей по разным орбитам. По сигналам спутников дальномерным методом определяют координаты и путевую скорость подвижного объекта. Кроме этого, можно установить путевой угол (угол между направлением на север и вектором скорости). Возросшая точность измерения теперь уже позволяет измерить углы курса, крена и тангажа (угловое движение относительно поперечной оси) объекта. Погрешность при этом находится в пределах 20 угловых минут (данные российского измерителя МРК-11). Правда, для автомобиля это пока не актуально. Зато в будущем, например при создании систем автопилотирования, это может стать необходимым.

В обычном режиме погрешности определения координат движущегося транспортного средства составляют 10 – 30 метров. Они складываются из погрешностей определения местоположения спутников, помех при прохождении сигналов через атмосферу, погрешностей отсчета времени на спутнике и наземной аппаратуре (приемоиндикаторе), шумов приборов. Влияет на точность и взаимное расположение спутников. Информация о спутниках содержится в передаваемом ими же альманахе. Современные приемоиндикаторы сами выбирают 3 – 5 спутников для работы. Это возможно благодаря тому, что в каждой из систем функционируют одновременно 24 спутника. Для «всепогодной» глобальной системы, действующей на всем земном шаре, определение координат с погрешностью даже 100 метров – совсем неплохо, особенно в лесу или пустыне. Но для автомобильной навигации с привязкой к дорожной сети этого недостаточно. Необходимая в таком случае высокая точность (определение координат с погрешностью порядка 1 метра) достигается при использовании так называемого дифференциального режима работы СНС. Его суть в том, что вычисленные по сигналам спутников данные уточняются с помощью поправок, которые соответствуют погрешностям определения пунктов с точно известными координатами. Этими пунктами могут быть радиомаяки других навигационных систем или специально создаваемые корректирующие станции. Уже сейчас они обеспечивают поправками большую часть Европы и часть Украины, а в недалеком будущем распространятся на всю территорию нашей страны. К названию систем, работающих в дифференциальном режиме, добавляют букву D (DGPS, DGNSS).

Одним из недостатков СНС является пропадание сигнала спутника в условиях затенения в тоннелях, между зданиями, в густой листве. Осложняется это еще и тем, что для восстановления рабочего состояния после этого требуется время, которое может превышать 1 минуту. В таких случаях спутниковая система дублируется автономной, например, бесплатформенной инерциальной навигационной системой (БИНС). Несмотря на то, что характеристики микромеханических элементов в настоящее время весьма грубые, при интервале в несколько минут такая система может решить требуемую задачу. Объединенную систему БИНС+СНС называют интегрированной.

Разработкой приемоиндикаторов занимается множество западных фирм. Среди них – Garmin, Magellan, Bosch, Philips, Pioneer. Отечественные приборы (например, смелянской компании «Оризон-Навигация») почти ни в чем им не уступают.

Для эффективного использования спутниковой навигационной системы мало знать широту и долготу. Нужна еще хорошая карта с дорогами, знаками, разметкой, бензозаправками, отелями и прочим, с которой может работать компьютер СНС, обозначая положение авто по рассчитанным координатам. Их выпускает ряд украинских и российских фирм – Visicom, Natec.

Ни шагу без СНС

Сфера применения спутниковых систем постоянно расширяется. Их уже активно используют не только на флоте, в авиации, в наземном транспорте, но и для диспетчеризации перевозок, в системах охранной сигнализации, в рыболовстве, в геодезии и картографии. Сегодня обеспеченные люди пользуются СНС на рыбалке, охоте или в путешествиях. Спутниковые системы помогают слепым перемещаться по городу. Недалеко то время, когда пользование спутниковой навигационной системой станет столь же обычным, как и пользование мобильным телефоном.

В Украине внедрением СНС в различные отрасли занимаются на кафедре приборов и систем ориентации и навигации приборостроительного факультета НТУУ «Киевский политехнический институт». Здесь готовят специалистов для разработки и производства как бесплатформенных инерциальных навигационных систем, так и интегрированных систем на базе электронных платформ Texas Instruments. Altera, Atmel и др.

 МНЕНИЕ   

Константин Жиденко. Генеральный директор компании Benish GPS UkraineКонстантин Жиденко
Генеральный директор компании Benish GPS Ukraine

В нашей разработке используется американская военно-навигационная система Navstar для определения координат автомобиля, угнанного злоумышленниками, с точностью до 10 метров. Датчик, установленный на охраняемой нами машине, в случае тревоги активизирует автомобильную охранную систему. Она определяет координаты машины с помощью спутника, а затем через выделенный канал оператора сотовой связи «Киевстар» передает SMS-сообщение на диспетчерский пункт компании Benish GPS Ukraine. При подтверждении тревоги сигнал передается на терминал дежурной части ГАИ. С помощью GSM-канала осуществляется обратная связь с владельцем автомобиля. Диспетчер может дистанционно заглушить двигатель, включить звуковую и световую сигнализации. В это время по указанным координатам выезжают работники милиции. Таким образом, за пять лет использования системы не было угнано ни одного автомобиля.

 Словарик

Навигация – процесс управляемого движения подвижного объекта по заданной траектории в заданных условиях.

Приемоиндикатор (аппаратура потребителя, аппаратура пользователя) – устройство, в котором по сигналам спутников определяют навигационные параметры и отображают положение подвижного объекта на карте вместе с сервисной информацией.

Спутниковая навигационная система (СНС) – система, в которой навигационные параметры (широта, долгота, высота, скорость движения и др.) определяют по сигналам спутников.

Дифференциальный режим работы СНС (дифференциальная СНС) – в этом режиме результаты определения навигационных параметров по сигналам спутников уточняют с помощью поправок, соответствующих ошибкам определения по СНС положение пунктов, координаты которых точно известны. Дифференциальная СНС действует на определенной территории, где есть возможность и целесообразность ввода указанных поправок.

Дальномерный метод определения координат – метод определения координат места как точки пересечения поверхностей равных дальностей (сфер) приемника от навигационных опорных пунктов (здесь – навигационных спутников).

Инерциальная навигационная система (ИНС) – автономная система, построенная на использовании свойств инерции, инерциальных чувствительных элементов (акселерометров, гироскопов).

Интегрированная навигационная система – объединяющая СНС и какую-либо автономную навигационную систему, как правило, инерциальную.

Владислав Мелешко
Фото GM, Bosch и из архива редакции

Подписывайтесь на наши ленты в Facebook, Viber, Telegram и Messenger: все самые важные автомобильные события в одном месте.