Состояние и ближайшие перспективы развития компьютерного рынка. GPS-навигация

Виктор Куц

А также системы NAVSTAR (NAVigation Satellite Timing And Ranging), сети наземных станций слежения за ними и неограниченного количества пользовательских приемников-навигаторов.

Днем ее рождения можно считать февраль 1978 года, когда на орбиту был выведен первый спутник. Орбиты спутников расположены под углом 60° друг к другу таким образом, чтобы с любой точки земной поверхности одновременно было видно от 5 до 12 спутников, период обращения каждого из которых составляет 12 часов. Именно поэтому максимальное число каналов в GPS-приемниках - 12. Каждый спутник размером около 5 метров (с раскрытыми солнечными батареями) весит более 900 килограмм, имеет в своем составе наиточнейшие атомные часы, вычислительное устройство, передатчик мощностью около 50 Вт, излучающий сигналы на 3-х частотах, однако гражданские GPS-приемники используют только частоту L1, равную 1575,42 МГц. Использование многочастотного радионавигационного сигнала позволяет компенсировать ионосферные и атмосферные помехи, что существенно повышает точность определения координат. Поистине ключевым моментом в истории GPS, обусловившим ее бурное последующее развитие, стало решение президента США об отмене с 1 мая 2000 года режима так называемого селективного доступа SA (Selective Availability) - погрешности, искусственно вносимой в спутниковые сигналы для снижения точности работы гражданских GPS-приемников. С этого момента даже любительский терминал может определять координаты с точностью в несколько метров (что на порядок меньше, чем раньше).

Одним из важнейших преимуществ GPS перед существовавшими ранее наземными навигационными системами является, помимо безусловной бесплатности использования системы, ее всепогодность и глобальность, т.е. возможность работы в любой точке мира на поверхности земного шара (реально сложности могут возникнуть только на полюсах). Погрешности измерения координат не превышают единиц метров, что вполне достаточно для решения подавляющего большинства задач навигации, даже для подвижных объектов. Современный электронный спутниковый навигатор GPS точно укажет магнитный и истинный север, скорость и направление движения, запомнит пройденный путь и все важные точки маршрута. Причем маршрут можно проложить заранее, записав его в память GPS-навигатора, а в поле на светящемся экране стрелка точно укажет кратчайший путь к намеченной цели.

Помимо спутниковой навигационной системы NAVSTAR, существует еще и отечественная ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система), созданная в сентябре 1993 года по инициативе Минобороны России и позволяющая практически в любом месте Земли (за исключением приполярных областей) определять местоположение и скорость объектов. Для нормального функционирования системы требуются 24 спутника, но в настоящее время, по причине отсутствия должного финансирования, их количество все еще недостаточно для полного развертывания системы. В орбитальной группировке ГЛОНАСС, по данным на сентябрь 2005 года, находилось всего 13 спутников, еще один проходил испытания. Обеспечить возможность бесперебойной круглосуточной работы системы ГЛОНАСС планируется лишь к 2008-2009 годам, когда российская СНС будет укомплектована 18 орбитальными аппаратами, и только к 2010 году число спутников в системе достигнет планируемых 24. При этом точность определения местоположения пользователей системы достигнет 1-5 м, как у GPS. Схожесть алгоритмов работы систем ГЛОНАСС и GPS позволяет для навигационных измерений использовать практически идентичное оборудование. Более того, уже существуют навигационные приемники GPS/ГЛОНАСС, способные обрабатывать сигналы обеих этих систем одновременно.

Европейский Союз (EU) и Европейское Космическое Агентство (ESA) планируют ввести в эксплуатацию новую европейскую глобальную СНС Galileo, которая, по заявлению разработчиков, станет значительным шагом по уменьшению телекоммуникационной зависимости Европы от США. Принципиальное ее отличие как от американской, так и от российской СНС в том, что она будет полностью находиться в подчинении гражданских структур. Программа предусматривает создание и запуск на околоземную орбиту к 2008 году до 30 космических аппаратов (КА) на три орбиты высотой 23616 км каждая, что позволит хорошо принимать радионавигационные сигналы даже на широтах, близких к полюсам Земли. Предполагается, что точность позиционирования в системе Galileo будет достигать 1 м, причем навигация окажется возможной и внутри зданий. Европейская система будет излучать десять видов радиосигнала в диапазонах 1164-1215, 1260-1300 и 1559-1591 МГц. При этом шесть из них будут применяться на бесплатной основе для широкого круга потребителей (приемники в переносных терминалах, КПК, на частном авиационном, автомобильном и морском транспорте), два дополнительных радиосигнала будут использоваться на коммерческой основе для оборудования компаний-перевозчиков, авиакомпаний, а два оставшихся найдут применение у различных государственных спецслужб (полиция, спасатели и др.).

Основные принципы функционирования GPS

В основу идеи определения координат GPS-приемника положен метод одновременного вычисления расстояний от нескольких спутников, точные координаты которых считаются известными (эти данные хранятся в специальном альманахе, размещенном в самом спутнике). Принимая сигналы от, как минимум, трех спутников, навигационный прибор может определить широту и долготу - это называется двумерной фиксацией. Если же спутников четыре или более, то GPS-приемник может определить положение уже в 3-мерном пространстве, т.е. указать широту, долготу и высоту. Постоянно отслеживая местоположение в течение некоторого времени, приемник также может рассчитать скорость и направление движения.

Каждый GPS-приемник имеет собственный опорный генератор, работающий на той же частоте и модулирующий сигнал по тому же закону, что и генератор спутника. Таким образом, по времени задержки между одинаковыми участками кода, принятого со спутника и сгенерированного устройством самостоятельно, можно вычислить время распространения сигнала, а, следовательно, и расстояние до спутника. Однако для точного определения координат сигналы генераторов радионавигационных сигналов и спутника, и наземного приемника должны быть строго синхронны, что достигается путем использования на спутнике сверхточных атомных часов. Синхронизация же часов в GPS-приемнике осуществляется по специальной информации, содержащейся в сигналах спутника.

После отмены режима селективного доступа SA все приемники (как гражданские, так и военные) "привязываются к местности" с погрешностью 3-5 метров (высота определяется с точностью до 10 метров). Приведенные цифры соответствуют одновременному приему сигнала с 6-8 спутников (большинство современных аппаратов имеют 12-канальный приемник, позволяющий одновременно обрабатывать информацию от 12 спутников). Такая точность может удовлетворить большинство обычных потребителей, но для решения геодезических задач этого совершенно недостаточно, поэтому для определения координат с повышенной точностью используется дифференциальный режим измерения, позволяющий на ограниченной по площади территории определять трехмерные координаты точки с погрешностью порядка нескольких миллиметров. В этом случае используется два приемника: один стационарный, установленный в точке с известными координатами, а другой - подвижный, устанавливаемый в точке, координаты которой необходимо измерить.

Что касается скорости определения координат, то сразу после включения устройства (после достаточно длительного перерыва) приемник начинает принимать сигналы со спутников и тем самым определяет, какие из них в данный момент времени доступны. Такое состояние приемника называется "холодным стартом", а время определения может продолжаться вплоть до 15 минут. После выключения приемник некоторое время сохраняет в своей памяти последний альманах и в случае повторного включения после кратковременного перерыва имеет место "теплый старт" (время определения - не более 1 минуты), а если перерыв был совсем коротким, то это - практически мгновенный "горячий старт".

Устройства GPS

На сегодняшний день приемники GPS выпускаются в большом количестве самыми разными компаниями. Возможности большинства устройств в принципе одинаковы и ограничены их назначением: определение координат и точного времени, но, в зависимости от области применения и стоимости, которая может колебаться от сотни-другой до нескольких тысяч долларов, исполнение GPS-приемников может быть весьма разнообразным. Весь существующий спектр изделий GPS, предназначенных для массового потребителя, можно разделить на несколько категорий:

- Персональные устройства, отличающиеся небольшими габаритами, автономным питанием, достаточно скромным набором функций и не особо высокой чувствительностью. Некоторые из них предназначены для автономного использования и представляют собой полностью самодостаточные внешние устройства, другие же могут подключаться к компьютеру или КПК, что позволяет отслеживать перемещения пользователя на большом экране монитора. Среди устройств второго типа наибольшее распространение получили сверхминиатюрные приемники с интерфейсами CompactFlash и, реже, SDIO, наиболее приспособленные для совместного использования с КПК. Конкуренцию им составляют внешние устройства с поддержкой беспроводного интерфейса Bluetooth. Кроме того, с недавних пор навигационные системы GPS начали использоваться в смартфонах и разного рода коммуникаторах.

- Автомобильные навигационные системы. Чаще всего имеют стационарное исполнение с питанием от бортовой сети автомобиля и выносной активной антенной, существенно улучшающей прием сигналов в условиях плотной городской застройки. Как правило, автомобильные навигационные системы включают поддержку голосовых подсказок, вывод на достаточно крупный ЖК-дисплей электронной карты местности с маршрутом движения и другими данными. Помимо собственно навигационных задач, автомобильные системы на базе GPS могут использоваться для решения самого широкого круга задач, в частности, обеспечивать безопасность транспортных средств и их мониторинг. Такие системы сопрягаются с противоугонными системами (или даже входят в их состав) и предоставляют автомобилистам возможность получать информацию о состоянии автомобиля, его текущем местоположении и подробный отчет обо всех событиях, происходящих с ним за интересующий период времени.

- Морские навигационные системы, помимо приемника GPS, зачастую оснащаются еще и эхолотом, обеспечивающим их информацией о рельефе дна, а вместо стандартных географических карт используют гидрографическую информацию о конкретных прибрежных районах.

Практически все модели GPS-навигаторов позволяют запомнить или создать большое количество пользовательских путевых точек (WayPoint) и составить из них маршруты движения (Route). Они отображают на экране путь, пройденный пользователем, и могут конвертировать его в готовый маршрут. Однако информация о текущем местоположении в виде значений широты и долготы, отображающаяся на экране, а также набор путевых точек далеко не всегда понятны и удобны для навигации. Наиболее естественно отслеживать свое положение на местности с помощью карты (в данном случае - электронной). Тем более что доступных электронных карт сейчас стало уже достаточно много (особенно для Западной Европы и Америки) и спутниковая навигация становится реально полезной, поскольку позволяет легко найти нужную улицу (а кое-где - вплоть до дома) даже в незнакомом городе.

Рынок услуг средств спутниковой навигации в России

На сегодняшний день рынок услуг средств спутниковой навигации в России находится на начальной стадии своего становления. Основная масса компаний, действующих здесь, предлагают не услуги по собственно спутниковой навигации, а так называемые услуги по контролю за местоположением транспортных средств. Основная группа потребителей таких услуг - солидные автотранспортные предприятия с большим парком подвижных средств. Такие предприятия устанавливают средства определения координат в основном на автомобили, выполняющие международные перевозки. Кроме них достаточно широко применяют средства спутниковой навигации морские и речные пароходства, а также отдельные госструктуры (например, МЧС).

Наиболее серьезная проблема, стоящая на пути этого бизнеса, - отсутствие специализированного софта (здесь самая популярная программа - OziExplorer) и собственно откалиброванных географических карт. То есть карты России, конечно, имеются, однако они не доведены до практического использования в подобных коммерческих целях. Потребность в картах представляет собой ключевой компонент каждой СНС, а ценность самих систем возрастает пропорционально площади покрытия географического пространства страны. Было подсчитано, что использование СНС в Западной Европе экономит до 50% времени, необходимого для транснациональных переездов. Для нашей страны экономический эффект, очевидно, будет еще большим.

Тем не менее, в России по-прежнему существует абсолютно не соответствующая реалиям сегодняшнего дня система создания, обработки, хранения, распространения и использования картографической информации. Более того, совершенно бессмысленным и наносящим огромный ущерб государству является запрет на использование современных цифровых технологий для мгновенного определения местоположения в пространстве и отображения картографической информации гражданами страны. Но, пожалуй, самым вопиющим примером наплевательского отношения руководства России к проблемам навигационного обеспечения собственных Вооруженных Сил (что уж тут говорить о частных лицах!), явилась недавняя катастрофа российского истребителя Су-27, летевшего в Калининград, а заблудившегося и разбившегося в небе Литвы. Черт побери, да будь "сушка" оборудована хотя бы элементарнейшим 200-долларовым GPS-навигатором, подобного позора бы не случилось! Предельно неприглядная картина действующих запретительных мер по точности определения местоположения, разрешению космических снимков, предпринимаемых в целях защиты страны, наносят ей куда больший ущерб, демонстрируя неадекватность проводимой (надеюсь, что только по инерции) политики в области защиты географической информации.

Вместо заключения

Мобильные GPS-приемники стремительно набирают популярность во всем мире. Но GPS-навигатор, являясь, на первый взгляд, просто идеальным устройством определения местоположения в пространстве, в условиях плотной многоэтажной застройки мегаполисов далеко не всегда оправдывает возлагающиеся на него надежды. Кардинально разрешить эту проблему способна разрабатываемая Intel новая система определения местоположения не с помощью традиционного спутникового GPS, а путем использования триангуляции по сигналам базовых станций беспроводных сетей Wi-Fi или GSM. Специалисты компании Intel видят своей целью создание достаточно простой и при этом максимально универсальной навигационной системы, способной охватить весь земной шар. Преимущества такой технологии очевидны: в навигационных устройствах отпадает нужда в использовании дополнительного GPS-чипа, все делается с помощью уже имеющихся в мобильном устройстве компонентов Wi-Fi (или GSM) и вычислительной мощности "бортового" процессора. Да и базовые станции потребуют лишь минимальной доработки. Все это, несомненно, позволит существенно снизить цену таких "городских" навигационных систем и даже ввести функцию навигации в любое современное Wi-Fi-устройство как бесплатный, но при этом очень привлекательный "бонус". А уж о пользе появления навигационной поддержки сотовых телефонов и говорить не приходится - настолько это очевидно.