что такое навигационная система в автомобиле и для чего она нужна

Штатная автомобильная навигация – история и перспективы

Проблемы навигации волновали человека испокон веков. Долгое время для точного позиционирования в пространстве служили лишь солнце да звезды, и ориентироваться по ним мог далеко не каждый. Все изменилось с началом космической эры, и теперь практически у каждого есть свой навигатор, как в смартфоне, так и в автомобиле. О штатных автомобильных навигационных системах и поговорим.

НЕМНОГО О КОСМОСЕ

Как вы думаете, сколько сегодня спутников находится на орбите, чтобы обеспечить работу навигационных систем? Ответ: на орбите Земли сегодня действует 90 навигационных спутников и планируется, что всего их будет 132. Пока преобладают американские спутники GPS – их 32. Оно и понятно, ведь именно американцы стали родоначальниками навигации по спутникам и развивают свою сеть аж с 1974 года, в связи с чем сегодня практически все навигационные системы в первую очередь взаимодействуют именно с ними. Точность позиционирования по ним довольно велика, что обеспечивает необходимую привязку к местности. Впрочем, есть у этой системы и один недостаток. Дело в том, что в первую очередь GPS создавалась как система для военных, поэтому при определенных условиях доступ к ним может быть прекращен одной лишь командой с военной базы Шривер. Именно это и сподвигло другие страны обзавестись своими спутниками.

Следующей по мощности группировки спутников пока считается Россия. Запуск системы был осуществлен в 1993 году, и на сегодня спутниковая система ГЛОНАСС насчитывает 24 действующих спутника, что подтолкнуло производителей автомобильных навигационных систем работать и с ними. Спутники ГЛОНАСС также принадлежат Министерству обороны, и если что…

На третьем месте сегодня система Beidou. Несмотря на то, что она была запущена в 2000 году, сейчас китайцы уже используют 20 спутников, а всего их будет 35, и тогда она, как и GPS и ГЛОНАСС, будет признана глобальной. Кстати, китайская Beidou активно сотрудничает с российской ГЛОНАСС.

Четвертой по количеству спутников можно считать европейскую систему Galileo. Пока на орбите находится 10 спутников, однако планируется, что к концу 2020 года их будет 30. Особенность системы в том, что она будет способна обеспечивать недоступную пока на сегодня точность позиционирования до 10 см, правда только над Европой.

Не хочет упускать свои выгоды от использования спутников и Индия. Сегодня на орбите висит 4 их спутника. В ближайшей перспективе они планируют подвесить еще 3, и тогда IRNSS обеспечит довольно качественное позиционирование над Индией, Пакистаном и Афганистаном.

А позади планеты всей плетутся японцы со своей QZSS. Пока на орбите висит 1 спутник, до конца 2017 года их должно стать 4. Основной их задачей будет обеспечение работоспособности мобильных приложений и мониторинг транспорта в азиатском регионе.

ВЕРНЕМСЯ НА ЗЕМЛЮ

Если говорить о навигационных системах для автомобилей, то они появились, как ни странно, еще задолго до того, как человек услышал сигнал от первого спутника земли. Первый автомобильный навигатор датируется 1930 годом.

В некое устройство, отдаленно напоминающее сегодняшние навигаторы, загружался рулон с картами соответствующей местности, и посредством механического привода от колес он прокручивался пропорционально скорости автомобиля, показывая тем самым на экране место пребывания. Доехав до нужного поворота, автолюбитель извлекал уже ненужный рулон и вместо него вставлял следующий, соответствующий направлению движения.

Мороки с ним, конечно, хватало, но именно это устройство от компании Iteravto стало прародителем всех нынешних навигаторов.

Несмотря на то, что в 1981 году на орбите земли уже работало несколько навигационных спутников, все же очередным автомобильным навигационным прибором был не спутниковый навигатор, а гироскопический.

Компания Honda стала первой, предложив свой Gyrocator как опцию. Созданный совместно с компанией Alpine, навигатор вычислял местоположение автомобиля на карте с помощью гироскопических датчиков, продвигая заранее выбранную и установленную карту вверх или вниз и показывая положение автомобиля на мониторе светящейся точкой.

Естественно, каждую карту нужно было предварительно привязать к местности и выставить место своего положения в центре монитора. Стоила эта опция по тем временам чуть ли не четверть цены автомобиля.

НАШЕ ВРЕМЯ

Бумом развития штатных навигационных систем можно считать начало нашего века. Именно с приходом новых технологий удалось существенно снизить стоимость комплектующих для производства приемников спутникового сигнала и тем самым перевести навигационные системы из ранга «не для всех» в ранг «для каждого».

Сегодня похвастать штатной навигационной системой может как автомобиль премиум-класса, так и бюджетная иномарка. Как правило, все системы интегрированы в так называемые мультимедийные комплексы, основной задачей которых изначально было лишь развлечь водителя в дальней дороге музыкой. Позже к ним «прикрутили» возможность проигрывать не только аудио-, но и видеофайлы. Были системы, которые могли похвастать и наличием TV-тюнера. Однако пределом мечтаний была именно навигация, и она пришла. Автопроизводители наперебой нахваливали каждый свою навигационную систему, свойственную именно их бренду.

Кто-то первым показал маршрут с высоты птичьего полета, а кто-то хвастался возможностью отслеживать пробки без интернет-трафика. Тем не менее сегодня тенденция такова, что разработанные под конкретный автомобильный бренд навигационные системы, как бы ни были они хороши или плохи, уходят в прошлое. Зачем выдумывать нечто, если уже есть готовое, решили автопроизводители и все чаще и чаще устанавливают на автомобили навигационные системы, завязанные на программное обеспечение компаний, занимающихся исключительно навигацией. Именно поэтому Navitel, СитиГИД или Garmin сегодня можно встретить как штатную навигационную систему во многих автомобилях. Со временем автолюбители все чаще стали отдавать предпочтение интерактивным навигационным системам, таким как «Яндекс навигатор» или «Гугл мэпс». Оно и понятно: актуальные карты и постоянный мониторинг трафика очень облегчают жизнь автолюбителям, особенно в мегаполисах. А зачем тогда предварительно ставить навигационные системы в автомобиль, если они есть почитай у каждого в кармане в виде предустановленного софта на смартфоне? Об этом же задумались и автопроизводители и придумали нечто, позволяющее без труда контролировать приложения со смартфонов непосредственно на мониторе штатной автомобильной мультимедиасистемы.

APPLE CARPLAY, ANDROID AUTO И MIRRORLINK

Большинство сегодняшних смартфонов работают под управлением операционных систем Android и iOS. Именно с ними и решили подружить автопроизводители свои мультимедийные устройства. В итоге уже появились автомобили, поддерживающие возможность переносить на экраны штатных систем автомобилей «зеркала» экранов смартфона со всеми вытекающими из этого приятными последствиями. Какими? Во-первых, теперь нет необходимости привыкать к работе той или иной навигационной системы. «Яндекс карты», Google Maps, Navitel или СитиГИД в полном объеме отражаются на экране штатного монитора. Маршрут можно проложить, будучи еще дома или на работе, а позже воспользоваться им, как только вы сконнектите смартфон с автомобилем. Во-вторых, помимо работы с привычными встроенными навигационными системами, вы можете, также не отрываясь от руля, пользоваться и иными приложениями, будь то телефонная книга и СМС. Или, к примеру, просматривать комментарии к вашим постам в соцсетях. Да мало ли что еще можно делать со смартфона – он ваше все, и это все теперь доступно на большом и удобном экране.

Именно благодаря системам Apple CarPlay и Android Auto это отчасти стало возможно. Но почему отчасти? Дело в том, что пока признать эти системы работающими на все сто процентов нельзя. Не все функции доступны, а те, что есть, работают не так, как хотелось бы в идеале.

Куда больших успехов на этом поприще достигла компания MirrorLink, но штатно она ставится далеко не в каждый автомобиль. Да и не каждый смартфон готов работать с этой системой – придется покупать именно ту модель, которая поддерживает это сопряжение.

И все же, так или иначе, но именно за такими системами будущее, и очень хорошо, что автопроизводители это понимают. Осталось придумать такую систему, которая не позволит вам забыть смартфон дома или на работе. В противном случае останетесь и без навигации, и без музыки, и без соцсетей. А последнее для кого-то может быть смерти подобно.

Источник

Основы GPS навигации (Часть 1)

В последние годы системы спутниковой навигации (GPS) стоят почти в каждом автомобиле и уже мало кто отваживается поехать по незнакомому маршруту без такого устройства, вооружившись лишь атласом. Сами устройства и программное обеспечение сделали большой рывок в сторону доступности и понятности, но вместе с тем есть несколько базовых понятий, без знания которых поездка с навигатором может значительно затянуться. В первой части статьи мы рассмотрим, что представляет из себя спутниковая навигация и GPS, какие бывают GPS приемники и навигаторы, чем они отличаются и как работают. Во второй части статьи перейдем к практике, рассмотрим ряд вопросов, связанных с GPS навигацией и типичными ошибками, которые допускают новички.

В последнее время очень часто приходится слышать от разных людей весьма суровый бред (по-другому это назвать не могу) относительно принципов работы и возможностей GPS. Сразу приведу опровержение нескольких распространенных ошибочных тезисов: Прибор GPS ничего не передает и не запрашивает; отследить Ваше местоположение по прибору нельзя; прибор не излучает никаких специфических электромагнитных волн; никаких сильных помех не создает; не опасен для человека и его можно безопасно носить в кармане (прием только ухудшится). Нельзя отключить какой-то конкретный прибор, если один прибор показывает координаты, а другой нет — значит, он неисправен. Если возникают проблемы на спутниках, то перестают работать все приборы сразу.

На самом деле, GPS — это приемник и принимает он радиосигналы со спутников и не более того! Эти радиосигналы представляют собой сигналы точного времени. Поскольку радиосигнал в пространстве распространяется не мгновенно, то благодаря разнице в этих сигналах, приходящих со спутников, он вычисляет расстояние до них и потом вычисляет Ваше положение в пространстве относительно этих спутников.

От чего зависит точность координат

В первую очередь, конечно, от качества приема сигнала со спутников. Чем больше спутников «видит» (принимает и расшифровывает с них сигнал) Ваш GPS-приемник, тем больше входных данных для определения положения. Но это еще не все, поскольку положение вычисляется математическим способом, то все еще зависит от программы: насколько точно будет рассчитано положение. GPS приемники, как правило, выпускаются в виде модулей, которых не так много на самом деле. Из наиболее известных Sirf Star и Atlas. Если первый — это проверенный временем, надежный элемент, то второй — его более дешевый аналог. Разница весьма существенна, погрешность Atlas’a может доходить до десятков метров, когда Sirf Star выдает точность до нескольких метров. Другие производители чипов, как правило, еще хуже и приобретать приборы, собранные на их базе, надо очень осторожно, прочитав отзывы других покупателей.

Классический GPS. Как правило, это весьма громоздкое устройство, в прорезиненном корпусе из ударопрочного пластика. Наиболее распространены устройства фирмы Garmin различных моделей, от самых простых с черно-белым дисплеем, без встроенных карт, до самых сложных, с цветными дисплеями, встроенными картами. Работают такие приборы, как правило, на батарейках стандартных форматов. Никаких дополнительных сервисов типа «Пробки» не существует, и даже зачастую маршрут по дорогам они прокладывать не умеют. Но зато это очень надежные приборы, предназначенные для автономной работы в сложных условиях. Ими обычно пользуются охотники, рыбаки или люди, которым по долгу службы приходится проводить много время вне цивилизации — например, геологи. Также они пользуются популярностью у спортсменов и туристов.

PND (Персональное Навигационное Устройство). Наиболее распространенный вид, чаще всего его называют GPS-Навигатор. Представляет собой плоское устройство с дисплеем на всю площадь. Хоть и имеет встроенный аккумулятор, но держит он недолго, поскольку предназначен в основном для работы в автомобиле. Они умеют прокладывать кратчайший маршрут из точки А в точку Б, знают где находятся больницы, АЗС, магазины, автосервисы. Многие имеют сервис «Пробки». На таком устройстве стоит стороннее программное обеспечение в зависимости от страны и региона, где оно продается. В нашем регионе это, как правило, CityGuide или Навител-Навигатор, также популярна программа iGo. Недостатком таких приборов, кроме маленького времени автономной работы и физической уязвимости, является очень низкий уровень детализации карт вне населенных пунктов. В лучшем случае прорисованы крупные дороги между населенными пунктами. Особняком в этом ряду стоят навигаторы фирмы Garmin: у них свое программное обеспечение, оно не совместимо с другими устройствами, и другое ПО на эти навигаторы поставить нельзя. Но надо отдать должное: ПО и карты фирмы Garmin очень хороши для тех, кто путешествует вне городских просторов.

GPS-Приемник. Маленькая коробочка без дисплея, обычно снабжена светодиодом (одним или несколькими), отображающими режим работы. Предназначена для подключения к ноутбукам и ПК через порт USB или беспроводному интерфейсу Bluetooth (в этом случае снабжена аккумулятором, позволяющим работать, как правило, в течение нескольких десятков часов.). На ноутбуке или ПК, к которому подсоединен такой приемник, может стоять различное программное обеспечение для работы. Помимо узкоспециализированных программ, таких как OziExplorer, с такими приемниками умеют работать большинство простых картографических программ и сервисов, например Google Earth. Также на ноутбук можно поставить ПО фирмы Garmin. Преимуществом таких систем является гибкость, возможность использования нескольких программ одновременно, большой дисплей удобен для отображения детализированных карт. Недостаток: громоздкость — без помощника (штурмана) не обойтись.

Какой навигатор выбрать

Классический GPS — отлично подойдет, если Вы путешествуете не только на автомобиле, но и регулярно покидаете его. Грибникам, рыбакам, туристам.

Устройства PND — для тех, кто ездит исключительно по городу.
PND от фирмы Garmin — для тех, кто город знает в совершенстве, а путешествует по необъятным просторам нашей планеты, но только по дорогам общего пользования и хорошим грунтовкам.

Навигатор на базе ноутбука — для тех, кому дороги не нужны. Если Вы путешествуете на подготовленном внедорожнике, то без множества специальных программ, позволяющих работать с различными типами карт — не обойтись.

Источник

Автомобильный справочник

для настоящих любителей техники

Автомобильная навигация

Автомобильная навигация — это прежде всего, определение места автомобиля. Навигационная система, главным об­разом, опирается на систему GPS (система глобального позиционирования). Автомобильная навигация сравнивает вычисленную позицию с цифровой картой и использует эту карту для расчета маршрута к нужной точке.

Автомобильная навигация

Навигационное оборудование может уста­навливаться на транспортное средство на заводе-изготовителе (рис. «Навигационная система» ). Также широко используются мобильные навигационные си­стемы. По сравнению с портативными систе­мами постоянно установленные устройства обеспечивают лучшее качество позициониро­вания, и, значит, улучшенную навигацию, по­скольку можно получать данные от дополни­тельных датчиков расстояния и направления (скорость и направление), и антенну можно установить в более благоприятном месте для приема спутникового сигнала. В каче­стве опции для стационарного оборудования широко используются сетевые возможности, т.е. возможна сетевая интеграция системы. Голосовые сообщения могут озвучиваться через динамики и заглушаться при разговоре по телефону. Информация по выбору марш­рута может отображаться в комбинации при­боров или на мониторе, или отражаться на ветровом стекле, и быть доступной в рамках основного поля зрения водителя.

Функции автомобильной навигации

Позиционирование

Система глобального позиционирования (GPS)

Система GPS основана на сети из 24 воен­ных спутников США, которые используются для глобального позиционирования (рис. «GPS — система глобального позиционирования» ). Они летают вокруг Земли по шести раз­личным орбитам на высоте приблизительно 20 000 км с интервалом в 12 часов. Они рас­положены таким образом, что с каждой точки на поверхности Земли видны, как минимум, четыре (обычно до восьми) спутников выше линии горизонта.

Эти спутники 50 раз в секунду передают специальные сигналы положения, идентифи­кации и времени на несущей частоте 1,57542 ГГц. Каждый спутник имеет на борту двое цезиевых и двое рубидиевых атомных часов с отклонением менее 20-30 нс для высоко­точного определения времени для сигналов.

Определение положения

Сигналы от спутников приходят на GPS — приемник автомобиля не одновременно из-за различия расстояний. Положение приемника рассчитывается методом радиогеодезиче­ских измерений. При получении сигналов, как минимум, от трех спутников, навигационное устройство рассчитывает свое географиче­ское положение в двух измерениях (долгота и широта). Имеется только одна точка, соот­ветствующая условиям дальности (времени прибытия сигналов). При получении сигналов, как минимум, от четырех спутников, мо­жет быть рассчитано положение приемника в трех измерениях (с учетом высоты над уровнем моря). На рис. «Определение положения системой GPS» показан этот про­цесс в упрощенной форме (только в двух измерениях).

Точность позиционирования в навигации

Достижимая точность зависит от положе­ния спутников, сигнал от которых может быть принят, относительно автомобиля. Чем больше пространственный угол спутника от­носительно автомобиля, тем лучше условия определения положения. Достижимая точ­ность в плане — приблизительно 3-5 м, а по высоте — приблизительно 10-20 м.

В зонах высотной застройки спутниковые сигналы могут быть приняты только, если спутники расположены, в значительной мере, на одной линии, т.е. в направлении улицы. Однако, в этом случае пространствен­ный угол между направлениями на спутники очень мал, и определение положения неточ­ное.

Ошибки в определении положения могут возникать в результате отражения спутнико­вых сигналов, например, от железобетонных стен зданий.

Определение направления движения

Направление движения можно легко опре­делить по разнице частот принятых сигна­лов, вызванной эффектом Допплера. Когда автомобиль движется по направлению к спутнику, GPS-приемник получает сигнал увеличенной частоты. С обратной стороны спутника приходит сигнал уменьшенной ча­стоты. Начиная со скорости приблизительно 30 км/ч, этот эффект достаточно заметен при определении направления.

Навигационное счисление

Навигационное счисление позволяет опре­делять положение даже, если сигналы GPS не принимаются, например, в туннеле. При этом добавляются циклически записывае­мые элементы по дальности в виде век­тора по величине и направлению. Сигнал от спидометра передается через шину CAN для измерения пройденного расстояния. Изменения направления движения считы­ваются датчиком курса. Таким образом, рассчитывается направление движения, начиная с последнего абсолютного определения направления, по последним полу­ченным сигналам GPS на основе эффекта Допплера.

Корреляционное определение по карте

Процедура, именуемая «корреляционное определение по карте», состоит в посто­янном сравнении расчетного положения с маршрутом, проложенным на цифровой карте. Таким образом, точное положение автомобиля может быть показано на карте даже, если расчетное положение неточное (неточность может быть вызвана, например, отсутствием сигнала GPS и ошибками в на­вигационном счислении). Таким образом, рекомендации по выбору маршрута могут быть поданы в наиболее удобной форме. Кроме того, можно скомпенсировать ошибки датчиков и накапливаемые ошибки навигационного счисления.

Ввод пункта назначения

Пункт назначения можно задать, например, через кнопочную панель устройства навига­ции, прямо через сенсорный экран или при помощи голосовой команды. Пользователь вводит все необходимые данные через меню или в ответ на запросы голосовой системы коммуникации.

Цифровая карта дорожной сети содержит справочник маршрутов, позволяющий вво­дить в систему адрес пункта назначения. Для этого нужно иметь список всех известных названий. В свою очередь, эти списки содер­жат также названия дорог и улиц. Чтобы за­дать адрес более точно, пользователь может указать конкретный перекресток или номер дома.

Пункт назначения можно быстро ввести из памяти, где хранятся прежние пункты назначения, которые можно вызвать снова (например, пункт назначения, записанный в категории «избранное»).

Аэропорты, вокзалы, заправки, много­этажные парковки и т.д. записаны в тема­тических списках (POI, интересные места). При помощи этих списков можно, например, найти близлежащую заправку или многоэ­тажную парковку (рис. «Пример показа карты с указанием POI» ).

Во многих навигационных системах пункт назначения можно отметить на дисплее по карте (например, при помощи сенсорного экрана).

Расчет маршрута

Стандартный расчет маршрута

Начиная с текущей позиции, навигационное устройство рассчитывает маршрут к задан­ному пункту назначения. Способ расчета может выбираться в соответствии с предпо­чтениями пользователя. Можно задать раз­личные опции, такие как, например, оптими­зация маршрута:

Рекомендации по выбору маршрута вы­даются в течение нескольких секунд после введения пункта назначения. Рассчитывается также сценарий, если водитель отклоняется от рекомендованного маршрута. Новые ре­комендации выдаются до того, как водитель доедет до следующего перекрестка.

Динамический выбор маршрута

Многие радиостанции передают сообщения о дорожной ситуации не только в виде речевых сообщений, но и в форме кода. Для этой цели существует стандарт «ALERT-С» для канала транспортной информации (ТМС). Информа­ция ТМС передается по системе радиоданных (RDS) в диапазоне FM.

В кодированных сообщениях, кроме прочего, содержатся указания на места автомобиль­ных пробок, их серьезность, фактическую длину и причины. Система навигации может получить такое кодированное сообщение и определить, не находится ли пробка на вы­бранном маршруте.

Если так, то маршрут рассчитывается заново, с поправкой на боль­шее время прохождения участка с пробкой. Можно выбрать обходной маршрут (рис. «Динамическая маршрутизация» ). По новому маршруту будут новые рекомен­дации.

Кодированные сообщения системы ТМС передаются только для главных трасс.

Проведение по маршруту

Рекомендации по маршруту

Маршрутизация выполняется путем сравне­ния текущего местоположения автомобиля с вычисленным маршрутом. Рекомендации по маршруту обычно даются в звуковой (го­лосовой) форме. Это позволяет водителю не отвлекаться от дороги. Одновременно с этим в комбинации приборов — в главном поле зре­ния водителя — должны отображаться про­стые графики для оказания помощи в пони­мании направления движения. Эти графики могут быть в виде простых стрелок или в виде полноценной карты в нужном мас­штабе (рис. «Пример показа карты с указанием POI» ).

Цифровая карта

Дисплей карты

В зависимости от системы, карта на цветном дисплее может показываться в масштабе приблизительно 1:2 000 в 2D, перспективном 2D (псевдо 3D) или истинном 3D. В таком виде удобнее оценить весь маршрут или его участок. Дополнительная информация, такая как, например, реки или озера, железные до­роги или леса, облегчает ориентирование.

Оцифровка

Карты и аэрокосмические фотографии высо­кого разрешения являются основой создания цифровых изображений. Если эти изображе­ния устарели или недостаточно точны, про­водятся полевые исследования. Оцифровка ведется вручную на основе картографиче­ского материала и аэрокосмических снимков. Затем в базы данных добавляются названия и классификация объектов (например, улицы, водные пространства, границы).

По улицам движутся специальные автомо­били, записывающие характеристики, свя­занные с дорожным движением (например, односторонние дороги, ограничения про­езда, мосты и туннели, запреты на поворот на перекрестках): затем данные оцифровки проверяются на месте. Данные, собранные таким способом, добавляются в базы данных и используются в цифровых картах.

Память данных

Диски DVD благодаря их большей в семь раз емкости, в настоящее время вытеснили диски CD в роли носителя цифровых карт. С другой стороны, новые системы теперь используют жесткие диски или SD-карты (последние явно преобладают для портативных систем). Эти средства записи информации предоставляют дополнительные возможности оптимизации навигационных систем в соответствии с пред­почтениями пользователей.

Источник