GPS-навигация

Время старта необходимое навигационному приемнику на определение позиции после включения, зависит от имеющейся в памяти начальной информации. Выделяются следующие режимы:

· «холодный» старт («автопоиск») - время, позиция, альманах и эфемериды неизвестны;

· «теплый» старт - позиция и эфемериды неизвестны, время и альманах известны;

· «горячий» старт («перезахват») - альманах, эфемериды известны, время и позиция известны с некоторой ошибкой.

Навигационные сообщения, передаваемые со спутников, содержат два типа данных - эфемериды и альманах. В альманахе передаются параметры орбиты, с помощью которых можно вычислить примерное местоположение спутников с достаточной большой степенью погрешностью. Альманах, хранящийся в памяти приемника, постоянно обновляется, т.к. каждый спутник передает данные альманаха для всех спутников группировки. Время «жизни» альманаха составляет 2-3 месяца. Далее, величина накопленной ошибки в расчетах будет недопустимой.

Данные эфемерид содержат параметры, позволяющие более точно вычислить текущее местоположение спутников. В отличие от альманаха, каждый из спутников передает, только свои собственные эфемериды. Время «жизни» эфемерид не превышает 4-6 часов.

Информация данных эфемерид и альманаха, передаваемой со спутников, постоянно корректируется. Это происходит один раз (а при необходимости и более) в сутки. Сеть наземных станций, получает информацию со спутников, по аналогии с обычными пользователями, анализирует измерения, сравнивает их с опорными, рассчитывает корректирующие поправки и передает их на главную станцию, с которой осуществляется передача данных на спутники.

«Холодный» старт приемника может быть связан не только с его длительным бездействием, но и перемещением на большое расстояние в выключенном состоянии. Если первый случай связан с устаревшим альманахом и ошибкой в определении текущего точного времени, то во втором случае приемник, не зная о своем перемещении, будет пытаться найти спутники, которых должны быть видимы на «старом» месте. Пользователь может «помочь» приемнику и уменьшить время «холодного» старта, указав на базовой карте, примерное «новое» местоположение.

Во время «холодного» старта приемник сканирует весь диапазон возможных значений частот и временных задержек навигационных сигналов. При этом в многоканальных приемниках, несколько каналов могут использоваться для поиска одного спутника, чтобы ускорить время его захвата. После того, как сигнал хотя бы от одного спутника будет получен и разобран, приемник будет иметь полную информацию об альманахе всей группировки и, по сути, перейдет к «теплому» старту.

При «теплом» старте приемник, включенный после 6-и часов бездействия, начнет «поиск» сигналов спутников, используя значение текущего времени и данные, хранящегося в памяти альманаха. Будет осуществляться поиск только тех спутников, которых, по теоретическим расчетам находятся в видимом полушарии и должны быть доступны приемнику. Соответственно, известен достаточно узкий диапазон частот и временных задержек, который требуется просканировать в процессе поиска сигналов. Эта информация существенно ускоряет время захвата спутников, по сравнению с «холодным» стартом, когда поиск ведется на широком диапазоне всех возможных значений задержек и частот.

В приемниках «Garmin» для контроля текущего использования спутников существует страница «Satellites», на которой отображается информация о местоположении спутников и индикатор уровня сигнала. Когда спутник только захвачен, но еще не используется в подсчете позиции, этот индикатор имеет «прозрачный» вид. После того, как эфемериды полностью получены и декодированы, спутник может использоваться в подсчете позиции.

Стоит отметить, что в момент включения, многоканальный приемник начинает поиск сигналов с нескольких спутников одновременно. Информация, передаваемая со спутников, привязана к единой шкале времени, содержит одинаковую структуру и достигает антенны приемника, примерно в одно и тоже время. Поэтому данные эфемерид, одновременно захваченных спутников, поступят в приемник почти что одновременно. Если количество таких спутников более или равняется трем, то это позволяет приемнику сразу же рассчитать позицию. В случае, когда сигналы блокируются высокими зданиями или густой листвой, то может потребоваться достаточно длительное время на определение позиции.

Наличие полностью полученных эфемерид, не гарантирует использование этого спутника в подсчете позиции. Информация, передаваемая в эфемеридах, может быть неправильной, ошибочной, либо связанной с неисправностью в работе спутника. В это случае индикатор «здоровья» передаваемых данных эфемерид и альманаха информирует приемник, что сигналы с этого спутника нельзя использовать в подсчете позиции. Это может быть связано не только с неисправностью спутника, но и диагностическими работами, проводимыми на его борту, процессом ввода его в эксплуатацию или тестированием новых режимов.

«Горячий» старт связан с кратковременным выключением приемника (до 6-и часов) не требует длительного времени на определение позиции. Это объясняется тем, что полученные ранее эфемериды содержат «свежие» данные, используемые для определения точных координат спутников, и могут использовать в вычислении позиции. В случае включения прибора после порогового времени, эфемериды рассматриваются устаревшими, и начинает действовать принцип «теплого» старта. Если на момент включения приемника видимыми остались менее 3-и спутников со «свежими» эфемеридами, то для определения позиции потребуется некоторое время на сбор данных эфемерид нового спутника.

Данные эфемерид передаются в составе трех пакетов. Каждый из пакетов содержит одинаковый временной идентификатор (IOD - issue of data), по которому можно объединить общую информацию. Информация эфемерид, передаваемая со спутников каждые 30 секунд, изменяется раз в 2 часа, и содержит одинаковый на это время IOD. Если один из пакетов был пропущен, либо получен с ошибками, то можно выделить аналогичный пакет из следующего сообщения, проверить его идентификатор и, не дожидаясь следующих пакетов, использовать его с ранее полученными. Это позволяет приемнику ускорить время старта.

Существует минимальное возможное время, необходимое приемнику на «старт», и это определяется структурой передаваемого сигнала со спутников. Производители навигационной аппаратуры, используя стандартные методы навигации, могут приблизиться к этому времени, но уменьшить его не смогут. Одним из методов, предназначенных для решения этой проблемы, является Assisted-GPS (A-GPS). Его принцип заключается в вычисление точного местоположения спутников без информации эфемерид, на получении которых требуется время. Вычисление осуществляется на использовании точных моделей орбит спутников, доступных через специальные Интернет - сервисы.

С другой стороны, максимальное время «старта» может значительно превышать заявленное в технической спецификации на навигатор время. Это объясняется окружающими условиями, в которых происходит «захват» спутников и «старт» приемника. Если приемник находится в условиях сильной «многолучевости» вызванной густой листвой деревьев, или близкорасположенными зданиями, то навигационных сигнал подвергается внешнему воздействию, содержит ошибки и неправильно декодируется. В условиях городских застроек, когда над приемником «нависают» высокие здания и виден только небольшой сектор неба, количество спутников доступных для использования резко ограничивается. Более того, геометрический фактор этих спутников, являющийся одним из критериев точно определения позиции, сильно ухудшается. Все эти условия могут значительно увеличить время «старта» приемника.

3. Путевые точки. Маршруты. Треки

Путевые точки (waypoints) служат для идентификации расположения различного рода мест, интересных для пользователя. Это могут быть и физические объекты, и адреса, и просто точки на карте. С помощью путевых точек, пользователь может отметить любимые места рыбалки, удобное место для стоянки, источники питьевой воды и т.п. При планировании путешествий, путевые точки выступают как ключевые отметки маршрута, связанные с изменением направления движения, местами ночевок и переправ, культурными и природными памятниками, которые необходимо посетить.

Современные приемники могут хранить до 500 и более путевых точек. Существует большое количество компьютерных программ, позволяющих скачивать точки из навигаторов и сохранять их на диске. В Интернете имеются сайты, содержащие большое количество точек, отсортированных по категориям, доступных пользователю.

Более того, большинство навигаторов содержат встроенную базу «интересных» точек (POI - point of interest). Количество точек в базе может достигать несколько тысяч, существуют фирменные программы для их обновления, но они недоступны пользователю для редактирования. Хранятся они в отдельной памяти навигатора.

Ввод путевой точки в навигаторе может осуществляться несколькими способами.

1. Вводом точных значений координат. В этом случае, пользователю необходимо знать не только точные координаты, но и название датума в котором эти координаты представлены. Несовпадение датумов может привести к отклонению истинных значений координат точки от введенных на большое расстояние, от нескольких сотен метров до нескольких километров. При необходимости требуется выполнить приведение значений датумов в навигаторе и вводимой точки к единому значению.

2. Ввод относительно известной точки. Если точные координаты точки неизвестны, но известно ее направление и расстояние относительно некой опорной точки, то может использовать данный метод. При этом опорная точка должна быть сохранена в навигаторе ранее.

3. Ввод точки на карте. Метод применим в приемниках с картографической поддержкой. С помощью курсора на экране карты выбирается место планируемой точки и осуществляется ввод. Точность метода зависит о точности позиционирования курсора, точности привязки используемой карты и масштаба отображения карты.

4. Ввод текущего местоположения. Путевая точка сохраняется с координатами текущего местоположения навигатора. Учитывая, что определение позиции происходит с некоторой ошибкой, величина которой может достигать нескольких метров, координаты точки будут не точны. Для повышения точности координаты точки, используется специальный режим усреднения, которые вычисляет среднее значение координат за определенный интервал наблюдения. Интервал устанавливается пользователем и может достигать нескольких минут. Все это время пользователь должен находиться в одной точке.

5. Загрузка из компьютера. Наиболее удобный и популярный среди пользователей способ загрузки точек при планировании поездок. В качестве источников, могут использоваться библиотеки точек в Интернете, обмен с другими пользователями, либо ранее сохраненные на компьютере точки с прошлых поездок. Для создания новых точек используются популярные программы типа Ozi Explorer с удобным интерфейсом и большим набором разнообразных полезных функций.

Каждая путевая точка в момент создания автоматически получает имя. В большинстве случаев это обычный трехзначный номер, последовательно увеличивающийся при создании очередной точки (001 - 999). Пользователь может изменить это поле, дав точке более понятное и удобное для дальнейшего использования имя. В зависимости от модели навигатора, это поле может содержать от 6 до 10 символов. Для более полного описания точки, существует отдельное поле, в которое можно ввести от 50 символов.

Но все-таки, наиболее важная роль при описании свойства путевой точки, отводится символу, с помощью которой она отображается на карте. Навигаторы содержат большие библиотеки символов, с помощью которых можно наиболее точно охарактеризовать точку. Существуют символы с изображением домов, машин, яхт, коробок, заправок, черепов, тайников и т.п. Современные модели приемников позволяют обновлять и редактировать эти библиотеки.

Стоит отметить, что большинство моделей автомобильных навигаторов не поддерживают функцию «путевые точки» в вышеописанном виде. Учитывая, что весь принцип действия таких навигаторов основан на использовании информации дорожной сети, то все создаваемые путевые точки являются объектами этой сети. Можно ввести точку, привязанную к дому, адресу, развязке, но нельзя создать точку «в чистом поле». Это особенность необходимо учесть, если выбирать навигатор для «активного» туризма.

Маршруты являются последовательными наборами путевых точек, характеризующих «ключевые» участки пути. Обычно, в современных приемниках, максимальное количество точек в маршруте не превышает 50-и, а общее количество маршрутов - 20. Есть приемники, которые поддерживают только 1 маршрут. В качестве точек маршрута, могут выступать также точки POI.

Сопровождение по маршруту аналогично функции «goto», использующейся при работе с обычными путевыми точками. Только в этом случае, навигационный приемник сам, автоматически, переключает навигацию к очередной точке маршрута при достижении предыдущей. Фактически, ничто не мешает пользователю отказаться маршрутных функций, сразу определить конечную точку и двигаться к ней в соответствии со стрелкой навигатора. Это удобно, если на пути нет никаких препятствий и можно сохранять прямолинейность движения до точки. В этом случае, такие информационные параметры, как «время прибытия», «расстояние до точки» и т.п. будут соответствовать действительности. Но такая ситуация возможно только при движении по воздуху или перемещениях пешком.

На самом деле, реальная навигация намного сложнее. Пользователь, имея информацию о конечной точке, самостоятельно выбирает путь. Если движение происходит на автомобиле, то в учет берутся дорожная сеть, правила движения, знаки, разметка и возможные затруднения, связанные с авариями, пробками и дорожными работами. Поэтому двигаться по стрелке, четко указывающей на стену ближайшего здания просто невозможно. И вся статистическая информация об оставшемся пути до точки, тоже будет неверной.

Маршрут, который состоит из набора участков пути между путевыми точками, предоставляет более достоверную информацию. Точность маршрута во многом определяется количеством путевых точек, из которых он создан. Имеется несколько способов создания маршрутов.

1. Автоматическая генерация. Наиболее удобный и эффективный способ, реализованный в большинстве современных моделей навигаторов. Достаточно определить конечную точку, и навигатор самостоятельно просчитает маршрут с учетом дорожных знаков, разметки и правил движения. Для использования этого способа недостаточно использовать навигатор, поддерживающий функцию автороутинга, необходимы также карты, которые содержат всю необходимую дорожную информацию. Пользователь сам может выбрать предпочтительный для генерации тип маршрута - кратчайший, экономичный, либо самый быстрый.

2. Использование сохраненного трека. Простой способ, в котором для генерации маршрута используется ранее записанный и сохраненный в приемнике трек. Чтобы воспользоваться этим способом, необходимо предварительно проехать нужный путь, и затем конвертировать трек в маршрут с помощью функции возврата «trackback».

3. Ручной ввод точек маршрута на карте. Добавление точек в маршрут осуществляется простым выбором места на карте. При выборе очередного места, автоматически создается путевая точка и добавляется в маршрут. В качестве названия точки используется уникальный идентификационный номер, который в последующем можно изменить, присвоив более подходящее и понятное имя.

4. Последовательность путевых точек. При создании маршрута используются созданные ранее путевые точки. Выбор может осуществляться либо из общего списка точек, либо с помощью страницы с изображением карты. Пользователь может изменять последовательность точек в маршруте, либо добавлять / удалять их в списке.

5. Загрузка из компьютера. Учитывая, что маршрут фактически является последовательной совокупностью путевый точек, то его также можно сохранить на компьютере. Но стоит учесть, что маршрут сохраняется вместе с используемым набором путевых точек.

Движение по маршруту осуществляется выбором нужного маршрута из списка, его инвертированием (при необходимости) и активизацией. После этого, вся навигационная информация, отображаемая на экране, будет относиться к начальной точке маршрута. Когда точка будет достигнута, навигатор автоматически «переключится» на следующую точку из списка маршрута.

Настройки приемников, позволяют пользователю устанавливать «предупреждающие» сигналы, связанные с приближением к очередной точке маршрута. Это могут быть звуковые или голосовые сообщения, которые выдает приемник за некоторое расстояние или за некоторое оценочное время, оставшееся до точки. Время оценивается с учетом текущей средней скорости. В современных навигаторах, с автоматической прокладкой маршрутов, масштаб карты может автоматически увеличиться, чтобы отразить все особенности дорожного движения и облегчить маневры водителю. После того, как точка будет пройдена, масштаб карты восстанавливается.

Треки являются последовательностью точек, полностью отражающей пройденный путь. При этом не стоит путать точки трека и путевые точки. Это разные объекты, имеющие разное предназначение и разные атрибуты. Точки трека содержат информацию о текущих координатах и времени. Некоторые модели также включают в описание точки значение высоты. Скорость подсчитывается по данным координат соседних точек и разницы во времени записи. Записанные треки могут быть сохранены на компьютере и точно отобразить пройденный путь, либо с помощью функции «trackback» помочь пользователю вернуться в начало своего пути, почти что «след в след».

Чем больше точек может быть сохранено в треке, тем точнее будет представлен пройденный путь. Современные приемники содержат до 5000 точек в треке. Трек может быть сохранен, но при этом его детализация существенно ухудшается. Мало того, что сохраненный трек не может содержать более 256 точек, атрибуты точек содержат только информацию о координатах. Время и высота не сохраняются.

Треки являются непрерывной последовательностью точек пути. И если приемник был на некоторое время выключен и затем включен в абсолютно другом месте, то трек точно соединит две соседние точки в единый путь, даже если расстояние между ними составляет сотни километров. Это является особенностью записи треков, и если пользователь планирует использовать в последующем данные треков, то их надо вовремя преобразовывать в «сохраненные» треки.

В простых моделях навигаторов, запись треков осуществляется автоматически и не доступна для конфигурации пользователю. При заполнении памяти, «новые» данные циклически записываются поверх «старых». Современные и функциональные модели предоставляют пользователю несколько режимов записи:

· OFF - данные трека не пишутся. Этот режим автоматически включается, когда в приемник загружается трек из компьютера;

· WRAP - постоянная запись трека. При заполнении памяти «новые» данные затирают «старые»;

· FILL - остановка записи при заполнении памяти. Когда в памяти не осталось свободного места, на экране отображается соответствующее предупреждающее сообщение.

Дополнительно, в некоторых моделях пользователи имеют также возможность управлять частотой записи трека.

1. Автоматический. Интеллектуальный режим, в котором запись соседних точек осуществляется только в случае изменении прямолинейного движения на участке более 25 метров (для некоторых моделей 50 м), либо при значительном изменении скорости. Такой режим позволяет оптимально использовать память, выделенную для треков, но не позволяет точно оценить, на сколько времени ее хватит. В зависимости от характера движения 1000 точек может описывать путь от 40 до 400 км.

2. По расстоянию. Точки трека записываются каждые n-метров пути.

3. По времени. Запись осуществляется с установленным временным шагом. В этом режиме можно точно рассчитать время, на которое хватит памяти, то точность представления пути в этом случае может значительно пострадать.

В любом случае, на экране навигатора отображается индикатор памяти трека, процентное заполнение которого соответствует размеру оставшейся свободной памяти.