Изначально, слово «навигация» относилось только к мореплаванию и означало искусство управления кораблем. Со временем, пришла навигация и в сухопутные транспортные средства, в том числе, в автомобили.

Что такое спутниковая навигация и зачем она нужна автомобилю?

Спутниковая навигация – это комплекс электронно-технических систем, который представляет собой совокупность наземного и воздушного оборудования, работающего по принципу «передатчик-приемник». Система используется для определения местоположения, точного времени и параметров движения (скорости и направления.) Проще говоря, такая система позволяет определить, где территориально находится приемник (в данном случае, автомобиль), в какую сторону он движется и с какой скоростью. Кроме того, навигатор может заранее просчитать маршрут от одной точки до другой и провести по нему автомобиль, сопровождая движение голосовыми комментариями. Опционально для современных навигаторов может быть доступна функция загрузки данных о местоположении камер контроля скорости и пробок.

Разница в том, что автономная навигация не входит в комплектацию автомобиля и покупается отдельно. Такой навигатор имеет собственную систему питания, процессор и приемник сигнала. Оснащается дисплеем и панелью управления. Штатная навигация – это навигационная система, которую производитель самостоятельно устанавливает в автомобиль при сборке. Плюсы штатной навигации в том, что она полностью совместима со всем бортовым оборудованием, интегрирована и, как правило, работает быстрее автономной.

Эволюция автомобильной навигации

Прототип автомобильной навигационной системы появился еще в 1920 году и назывался Plus Fours Routefinder. Нехитрое приспособление состояло из скрученной карты местности закрепленной между двумя деревянными палочками. Вращать «навигатор» приходилось вручную.

Спустя 10 лет система была доработана, и автомобилисты получили IterAvto. В этот раз карта закреплялась под стеклом, встроенным в корпус навигатора. Двигалась она с помощью троса, который используется . Благодаря этой системе скорость прокручивания была пропорциональная скорости движения. Однако при повороте автомобиля карту по-прежнему приходилось вращать вручную.

Первая электронная навигация появилась не так давно, всего 30 лет назад. Разработали систему японские инженеры. Первыми автомобилями, в качестве дополнительной опции к которым предлагалась навигация, стали модели Honda – Accord и Vigor. Датируется изобретение 1981 годом и называется Electro Gyrocator. Примечательно, что японская навигация не была связана со спутниками. Для использования навигатора водителю было необходимо вставить пластиковую карту местности и переместить курсор на место своего текущего положения. За дальнейшие перемещения курсора отвечал встроенный гироскоп, который определял направление и скорость движения автомобиля. Система не получила широкого распространения из-за чересчур высокой стоимости установки – почти в четверть цены самого Аккорда.

Первая спутниковая навигационная система, которая была встроена в бортовой компьютер, появилась в 1995 году на автомобиле Oldsmobile 88. Она уже могла определять и контролировать положение автомобиля самостоятельно, используя сигнал от ближайшего спутника.

С тех пор штатную навигацию устанавливает на свои автомобили абсолютное большинство производителей. Принцип работы системы за последние десятилетия не претерпел кардинальных изменений, упор делался на повышение оперативности передачи информации и расширение интерактивных возможностей пользователя.

Подвергался доработкам, в первую очередь, бортовой компьютер. Увеличение размеров дисплея, качества изображения, а с недавних пор внедрение сенсорного управления. Постоянно обновлялась электронная «начинка», разрабатывались специальные операционные системы, место CD заняли карты памяти и жесткие диски. Например, современная штатная навигация BMW 7 серии представляет собой практически полноценный компьютер: дисплей с разрешение 1280x480, собственная мобильная операционная система QNX и жесткий диск на 80 гб.

Набор этих характеристик позволяет «баварцу» не только загружать карты с качественной 3D прорисовкой маршрута, но и закачивать музыку и воспроизводить DVD.

Как это работает

Работают навигационные системы по принципу измерения расстояния между источником и приемником сигнала. Основывается такой метод на передаче радиоволн и вычислении скорости их распространения. Для точной фиксации времени, которое затрачивается на передачу сигнала, используются синхронизированные с системным временем атомные часы (особенность таких часов заключается в том, что в качестве периодического процесса используется колебания, вызванные на уровне атомов и молекул). Получается следующая цепочка: часы приемника синхронизируются с системным временем, и по ним вычисляется задержка между каждым циклом передачи сигнала и его приемом.

Сам приемник штатной навигации встроен в систему бортового компьютера и отображает данные на дисплей. Кроме данных о местонахождении автомобиля и прокладывания маршрутов, бортовой компьютер отвечает за взаимодействие всех электронных систем компьютера, в том числе, парктроника, акустической системы, датчиков «мертвых зон» и т.д.

Многие современные автомобильные навигаторы не только могут провесит автолюбителя из пункта А в пункт Б, но и предоставят ему информацию обо всех объектах, которые находится на маршруте. В памяти программы хранится информация о расположении АЗС, магазинов, стоянок, кафе и прочих объектов, которые могут быть полезными во время движения.

Еще одна полезная функция современной навигационной системы – это возможность голосового управления, которая позволяет прокладывать маршрут или осуществлять поиск объекта, не отрываясь от управления автомобилем.

Среди основных плюсов штатной навигации можно выделить высокую точность, оперативность работы системы и отсутствие задержек в передаче сигнала и обновлении карт. В то же время, есть у штатной навигации и весьма серьезные недостатки. К примеру, замена штатного навигатора на автономный может нарушить работу вышеперечисленных систем, да и сама процедура замены является весьма дорогостоящей. Точность карт штатной навигации не всегда радует пользователя, распространенное явление – карта загружается быстро, но не отображаются номера домов. Нередки также случаи, когда навигатор просто сбивает автомобилиста с пути, предлагая совершенно неправильный маршрут. Жирную черту под недостатками штатной навигации подводит отсутствие возможности выбрать навигационную систему.

Мое первое знакомство с автомобильными навигационными системами произошло несколько лет назад, когда я училась на предпоследнем курсе политехнического института. В те времена рядом со мной за партой сидел студент-отличник, в дальнейшем получивший красный диплом, а в настоящее время работающий программистом в компании Sony в Нью-Йорке. Этот студент во время лекций по истории мировой культуры рассказывал мне про свое техническое изобретение, которое состояло из компьютера с электронной картой улиц, датчиков, регистрирующих повороты и подсчитывающих пройденное автомобилем расстояние, и еще пары-тройки мелких измерительных приборов, призванных обеспечивать входные данные для хитроумной программки, вычисляющей координаты автомобиля и наносящей его местоположение на карту в виде большой белой точки. Мой сосед по парте даже предлагал мне объединить наши усилия и смастерить опытный образец системы, чтобы затем продать ее Запорожскому автомобильному заводу (надо полагать, для оснащения “запорожцев” этими самыми приспособлениями). “Вот хочешь ты доехать из Харькова до Зеленограда, - говорил он, - а карта тебе покажет, куда ехать и где поворачивать”. Я отказалась и сейчас об этом сожалею, потому что современные автомобильные навигационные системы (АНС) представляют собой именно то, что в свое время предлагал делать мой сокурсник, за исключением такого компонента, как GPS (Global Positioning System), о котором он в ту пору еще не знал. Символично, что в самом первом номере журнала “ГИС-Обозрение”, вышедшем в 1994 г., автомобильным навигационным системам посвящено целых две новости. Первая из них гласила: “Sony Electronics начала распространение бортовой автомобильной навигационной системы GPX-1. Она включает GPS-приемник, пятидюймовый экран и цифровую дорожную картографическую систему фирмы Etak на CD-ROM. Может использоваться при определении местонахождения (навигации) и планировании маршрута”. Вторая была посвящена подписанию соглашения между Etak, Tele-Atlas Int. и Robert Bosch GmbH о совместной разработке цифровых карт автодорожной и уличной сети для Западной Европы. Другими словами, автомобильные навигационные системы известны довольно давно: идеи о них начали витать в воздухе, как только появились компьютеры, размеры которых позволяли перемещать их на транспортных средствах, конкретные же очертания подобные системы приняли с момента возникновения глобальной навигационной системы NAVSTAR, позволившей с помощью DGPS определять координаты любого объекта на земной поверхности с точностью до 2 - 3 метров.

Европа, Япония, Америка...

Японцы признают, что концепция автомобильной навигационной системы зародилась в Европе, от которой Япония, несмотря на очевидный прогресс в этой области, отставала вплоть до 1996 г. В то же время США отставали и от Европы, и от Японии: в то время как европейские и японские производители автомобилей наперебой оснащали свои продукты автомобильными навигационными системами и конкуренция на обоих рынках была весьма жесткой, американцы занимали осторожно-наблюдательную позицию, и Oldsmobile была чуть ли не единственной американской компанией, ставившей на модель 88 LSS автомобильную навигационную систему Zexel Guide-Star AVL. Объясняется это тем, что в Америке очень много хороших дорог и сравнительно небольшая плотность автомобилей, на скорость и безопасность перемещения влияют почти исключительно трафик и погодные условия - как следствие, всплеск интереса к автомобильным навигационным системам в Америке наметился только в середине прошлого года, когда появилась возможность получать карты трафика и погоды для любого региона США в режиме реального времени для планирования маршрута.

К середине 90-х годов определились основные игроки рынка АНС - ими стали европейские компании Bosch, Philips, Blaupunkt и японские Etak, Sony, Alpine и Pioneer. Как видно из списка, среди них не было фирм, разрабатывающих программное обеспечение, ГИС-компаний и гигантов автомобилестроения, а первые места заняли традиционные производители автомагнитол (причем это положение сохраняется и по сей день). Таким образом, автомобильные навигационные системы были приравнены к приемникам, магнитофонам, пылесосам и стиральным машинам. Другими словами, АНС - это бытовой прибор, а вовсе не продукт индустрии ИТ, как ни удивительно подобное звучит. Кстати, в англоязычной литературе автомобильные навигационные системы называют либо Auto-Pilot System (APS), либо Automatic Vehicle Locator (AVL), либо Car Navigation System. Сокращать последнее словосочетание почему-то не принято, хотя на сегодняшний день, по моим наблюдениям, оно наиболее употребительно. Потребности в картах, представляющих собой ключевой компонент каждой автомобильной навигационной системы, в Европе обеспечивались двумя группами компаний - консорциумом European Geographic Technologies (EGT), который возглавляла американская корпорация Navigation Technology, и альянсом, образованным компаниями Tele-Atlas и Robert Bosch (позже к ним присоединилась американская фирма японского происхождения Etak, о чем и сообщала новость номер два, процитированная выше). Первая группа выпускала навигационные карты Philips, вторая - Bosch. Обе работали сверхурочно, изо всех сил пытаясь покрыть картами как можно большее географическое пространство Европы. В те годы BMW устанавливала на свои автомобили навигационную систему Philips Carin, а Mercedes - Bosch Auto-Pilot System (на машины S-класса). Было подсчитано, что использование АНС в Европе экономит 50% времени, необходимого на то, чтобы добраться из точки A в точку B, особенно если эти точки находятся в разных странах.

Известная производством автомагнитол и кофемолок Япония в то время тоже активно рвалась вперед. Особенность развития автомобильных навигационных систем в Стране восходящего солнца заключалась в том, что эти разработки не были целиком сосредоточены в руках частных компаний, но поддерживались государством. Первой ласточкой интеллектуальных транспортных систем (к которым относится и АНС) в Японии стал проект “Полнофункциональная система управления автомобилем” (Comprehensive Automobile Control System - CACS), разрабатывавшийся Министерством международной торговли и промышленности Японии в период с 1973 по 1978 год, оценивался в 73 млн. долл. и заложил основы дальнейшего развития подобных продуктов. По его окончании некоторые наработки были использованы Министерством строительства Японии в проекте “Система автомобильной коммуникации на дорогах” (Road Automobile Communication System - RACS) и полицией страны для управления трафиком и обеспечения связи между полицейскими машинами. Позднее результаты проведенной работы были интегрированы в рамках “Системы автомобильной информации и связи” (Vehicle Information and Communication System - VICS), обеспечивающей водителя информацией о трафике на дорогах и планирующей оптимальный маршрут. Система стала доступной для потребителей в апреле 1996 г. К тому времени Япония имела на дорогах 67 млн. автомобилей, и эта поистине безграничная толпа потенциальных потребителей провоцировала яростную конкуренцию за место под солнцем. Как и любая конкурентная борьба, она приводила к снижению цен и появлению технических и технологических инноваций.

Автомобильная навигационная система Bosh Blaupunkt Travel pilot

Одной из причин бурного развития автомобильных навигационных систем в Японии и внимания государства к этой отрасли является то, что проблемы дорожного движения в этой стране не могут быть решены лишь путем улучшения автодорог и увеличения их числа, поскольку земля здесь очень дорога, а строительство требует значительного времени. По мнению японцев, оптимизация маршрута каждого автомобиля будет способствовать снижению усталости водителей и в конечном итоге - уменьшению количества аварий и дорожно-транспортных происшествий. Дополнительным преимуществом может быть более эффективное использование топлива (а это также больная тема в бедной ресурсами Японии) и улучшение экологической ситуации. Осознав, что АНС могут сыграть значительную роль в решении всех этих проблем, Япония начала их активное, всячески поддерживаемое государством внедрение, и к 1997 г. в стране было продано более 1 млн. автомобильных навигационных систем. По данным компании Matsushita Electric, годовая емкость рынка АНС составила 460 тыс. систем в 1997 - 1998 гг. и 500 тыс. в 1998 - 1999-м (прогноз на 1999 - 2000 гг. - 600 тыс. систем).

Типичная автомобильная навигационная система состоит из компьютера с CD-ROM или DVD, цветного жидкокристаллического дисплея, GPS-приемника, датчика пройденного расстояния и гироскопа. Многие АНС могут также принимать телевизионные сигналы и проигрывать музыкальные компакт-диски.

Основные функции этих продуктов заключаются в определении положения автомашины и руководстве водителем на маршруте. Последнее включает обеспечение водителя картой, вычисление расстояния и пути к месту назначения, определение и отражение на карте оптимальных маршрутов, голосовые указания и показ на дисплее поворотов и перекрестков.

На базе классификации известного японского специалиста доктора Д. К. Каханера (D. K. Kahaner), автора труда “ATIP96.049: Car Navigation System Activities in Japan”, выделяют пять поколений АНС.

Нулевое - еще не автомобильные навигационные системы в современном понимании, а лишь воплощение первых идей и зачатков технологий. Нулевое поколение АНС использовало носители на магнитных лентах для записи карт. Сами карты были очень приблизительными и покрывали небольшие территории.

Первое (1987 г.) - “традиционная” навигация. Отличается от предыдущего поколения тем, что в качестве носителя картографической информации в нем стали использовать CD-ROM; положение автомобиля на карте, которое в нулевом поколении навигационных систем нужно было определять путем внимательного изучения пейзажа за окном, теперь определялось с помощью датчиков - геомагнитного сенсорного устройства, датчика скорости и гироскопа; качество карт также улучшилось.

Второе (1988 г.) - “традиционная” навигация с обратной связью. В навигационных системах этого поколения появилась возможность поиска пункта назначения (Map Matching), выдачи голосовых инструкций водителю и дополнительной информации о гостиницах и заправках.

Третье (1990 г.) - “гибридная навигация”. В качестве инструмента определения местоположения автомобиля помимо датчиков стали использовать GPS. К информации, учитываемой при планировании маршрута, добавилась информация о трафике и о погодных условиях, включая прогноз погоды.

Четвертое (1998 - 1999 гг.) - навигация “new age” (“новое поколение”). В последнее время появилось множество новинок, выводящих автомобильные навигационные системы на более высокий технологический уровень: это подкачка дополнительных карт через Интернет; возможность управлять автомобилем с помощью голоса; использование DVD в качестве носителя картографической информации.

Существует два типа автомобильных навигационных систем для руководства водителем на маршруте: с демонстрацией карты и без оной. Исследования по некартографическим, “слепым” системам более активно проводятся в Европе и Америке, где разглядывание карты во время движения автомобиля считается опасным. В Японии же полагают, что если выбор маршрута осуществляется системой качественно, то для того, чтобы привести машину к месту назначения, обычно не требуется частой демонстрации простых карт. Несколько лет назад я слышала про автомобиль, в котором карта с маршрутом проецировалась прямо на лобовое стекло подобно системе наведения в истребителях, но мне не удалось пока найти документальных подтверждений существования таких систем. “Слепые” АНС с голосовым управлением более распространены в Европе и Америке, чем в Японии.

Автомобильная навигационная система AVTC-505

Второй тип (ведение водителя по маршруту с показом детальных навигационных карт) требует наличия качественного дисплея, который показывает текущее положение автомобиля, место назначения, маршрут, направление к месту назначения и т. д. Вся эта информация накладывается на базовую карту местности с нанесенными на нее автодорогами и помогает водителю выбирать правильные повороты при движении. АНС этого типа широко распространены в Японии.

Проблемы позиционирования

По методу позиционирования автомобиля современные автомобильные навигационные системы можно классифицировать следующим образом:

Навигация спутникового типа;

Навигация с помощью датчиков;

Гибридная навигация, использующая оба типа.

Спутниковая навигационная система, используя электронные карты, хранящиеся на CD-ROM или DVD, определяет местоположение на базе сигналов глобальной системы позиционирования NAVSTAR, которая была создана Министерством обороны США в 1970-х годах и представляет собой систему из 24 спутников, находящихся на шести круговых околоземных орбитах с периодом обращения 12 часов, и GPS-приемников. Орбиты спутников рассчитаны таким образом, чтобы с любой точки Земли в любое время суток было видно не менее четырех спутников. Каждый GPS-приемник, получая специальный навигационный сигнал, вычисляет расстояние до каждого из видимых спутников, измеряя время прохождения радиосигнала от спутника до приемника. После этого он путем триангуляции определяет свои пространственные координаты (широту, долготу и высоту над уровнем моря).

Так как система NAVSTAR изначально создавалась для военных целей, Министерством обороны США было разработано два кода (режима): военный и гражданский. GPS-приемник, использующий гражданский код, определяет координаты с точностью 100 метров. Более точному определению мешают многочисленные факторы, искажающие принимаемые данные: задержка радиосигналов при распространении в ионосфере и атмосфере, неточное измерение времени, переотражение радиосигналов от различных поверхностей. Кроме того, часть информации, получаемой гражданскими GPS-приемниками, искажается преднамеренно с целью предотвращения их использования в военных целях другими странами.

Возможность повышения точности определения координат связана с применением дифференциальных GPS (DGPS). Очевидно, что многие ошибки одинаковы для GPS-приемников, расположенных в пределах нескольких сотен километров друг от друга. Один из таких приемников, называемый опорной станцией, располагается в месте, координаты которого определены точно. Сравнивая известные координаты с измеренными, GPS-приемник вырабатывает поправки, и затем передает их по радиоканалу потребителям для уточнения своих координат.

Казалось бы, кому и зачем могут понадобиться датчики измерения пройденного автомобилем расстояния и гироскопы, если определить географические координаты любого объекта (а также его скорость, направление движения и многие другие параметры) не составляет особого труда. Проблема, однако, заключается в том, что для того, чтобы система работала, нужно иметь в зоне прямой видимости не менее трех спутников NAVSTAR одновременно - а в городах, застроенных высокими зданиями, это практически невозможно. Кроме того, сигнал, многократно отражаясь от стен и крыш домов, искажается. А в туннелях GPS вообще не работает. Но у спутниковой навигации есть свои преимущества: GPS легко установить на автомобиле, ошибки при ее использовании не накапливаются, DGPS обеспечивают высокую точность позиционирования и цена на GPS сейчас более чем приемлема.

Система определения местоположения автомобиля, основанная на применении датчиков, находит географические координаты по показаниям гироскопа, определяющего направление движения автомобиля и датчика расстояний, поэтому ошибки накапливаются. Таким образом, чем более длительный путь проделал автомобиль, тем больше вероятность значительной ошибки в определении координат и, следовательно, в руководстве водителем на маршруте. Гибридные системы используют оба типа позиционирования, что позволяет избежать большинства проблем.

Поставщики АНС: двухполюсный мир

Двумя крупнейшими поставщиками АНС в Японии являются Sony и Pioneer. В Европе, как уже было отмечено, разработкой, внедрением и продажей занимаются свои, европейские производители бытовой электроники. В США автомобильные навигационные системы в основном представлены американскими отделениями компаний Pioneer, Alpine и Etak, которая является подразделением Sony. Американцы интересуются главным образом трафиком, а Etak практически полностью монополизировала такую рыночную нишу, как обеспечение картами трафика в реальном времени всех штатов без исключения. Что не заняла Etak, поделили между собой Pioneer и Sony. Таким образом, рынок автомобильных навигационных систем поделен европейскими и японскими компаниями.

Как ни предрекали прорицатели середины 90-х годов скорое и резкое падение цен на АНС в мире, этого, конечно, не произошло, как не ожидается резкого падения цен, например, на холодильники и прочие бытовые приборы. Да, приборы-то улучшаются, но цена при этом меняется незначительно. Так и здесь. В 1996 г. АНС стоили от $2000 до $4000. В 2000 г. их стоимость колеблется около отметки $1990 и тенденций к значительному снижению не проявляет.

«А еще там есть навигатор!». Этот известный рекламный слоган, представляющий навигационную систему одним из главных достоинств современного автомобиля, отчасти верен. За последние несколько лет автомобильный навигатор из дорогой игрушки превратился в надежного помощника водителя.

Автомобильная навигационная система предназначена для определения положения транспортного средства, выбора и сопровождения маршрута движения. Первый автомобильный навигатор был представлен в 1981 году компанией Alpine.

Различают несколько видов автомобильных навигационных систем: штатная, мобильная, а также навигационное программное обеспечение портативных компьютеров и смартфонов. Перечисленные виды навигационных систем имеют свои преимущества и недостатки. Они различаются по конструкции, реализуемым функциям, цене.

Штатная навигационная система устанавливается на заводе-изготовителе автомобиля и, как правило, является частью мультимедийной системы . В штатное место могут устанавливаться совместимые навигационные системы других производителей.

Мобильная навигационная система представляет собой портативное автономное навигационное устройство, которое приобретается отдельно и устанавливается на лобовом стекле или приборной панели. Под термином «автомобильный навигатор» обычно понимается именно мобильная навигационная система.

В качестве автомобильного навигатора могут быть использованы портативный компьютер, смартфон и даже обычные модели мобильных телефонов, если в них установлены соответствующие навигационные программы.

Устройство автомобильной навигационной системы

По своей сути автомобильная навигационная система является персональным компьютером со всеми его атрибутами: материнской платой, центральным процессором, оперативной памятью, постоянной памятью, жестким диском, устройствами ввода и вывода информации, приводами для подключения внешних источников данных.

Особенностью устройства автомобильного навигатора является наличие навигационного процессора (чипсета GPS-приемника). В ряде конструкций навигаторов навигационный процессор объединен с центральным процессором. Помимо перечисленных элементов в состав автомобильной навигационной системы могут быть включены модуль GPRS, Bluetooth, радиоприемник и др. компоненты.

Прием сигналов от навигационных спутников обеспечивает антенна. В штатной навигационной системе используется внешняя антенна, которая устанавливается на крыше автомобиля. Мобильный навигатор, как и смартфон, оснащен встроенной антенной.

Для ввода и вывода информации применяется сенсорный дисплей, который отличается быстродействием, многофункциональностью и низким энергопотреблением. В штатной навигационной системе для вывода информации может использоваться проекционный дисплей .

Питание штатной навигационной системы осуществляется от бортовой сети автомобиля. Мобильный навигатор запитан от собственного аккумулятора. Зарядка аккумулятора производится также от бортовой сети.

Программное обеспечение автомобильной навигационной системы включает операционную систему, навигационную программу, другие прикладные программы (офисные приложения, мультимедиа проигрыватель, игры, программы для чтения электронных книг и др.).

Операционная система соединяет аппаратную часть навигатора («железо») с прикладной программой. В качестве операционной системы используются программы Windows CE, Windows Mobile, Android, iOS и др.

Функциональную основу навигационной системы составляет навигационная программа . В автомобильных навигационных системах применяется множество навигационных программ, отличающихся друг от друга интерфейсом, функциональностью, степенью быстродействия и унификации. В штатных навигаторах используются в основном собственные разработки навигационных программ.

Для мобильных навигаторов, КПК и смартфонов созданы отечественные навигационные программы Навител, Автоспутник, CityGuide, ПроГород и ряд других. Из зарубежных программ необходимо отметить популярную программу iGo. Программа iGo также используется в штатных навигационных системах корейских автомобилей Hyundai, Kia, SsangYong. В мобильных навигаторах, КПК, смартфонах может быть установлено несколько навигационных программ, что значительно расширяет возможности навигационной системы.

Навигационная программа построена на электронной карте . В автомобильных навигаторах используются в основном векторные электронные карты, поддерживающие маршрутизацию. Векторная карта включает множество объектов с их географическими координатами.

Если в планах перемещение на автомобиле по бездорожью, то вам необходима навигационная программа с растровой картой. В отличие от векторной растровая карта представляет собой изображение местности (перенесенная бумажная карта или спутниковая фотография), привязанное к географическим координатам.

Ведущими мировыми разработчиками электронных карт являются компании TeleAtlas и Navteq, но карты от этих производителей пока имеют недостаточное покрытие территории России. По этой причине многие российские разработчики навигационных программ (Навител, ПроГород, СитиГид) используют собственные электронные карты.

Функции автомобильной навигационной системы

В современном автомобильном навигаторе реализовано множество функций, основными из которых являются:

• определение положения;
• ввод пункта назначения;
• расчет маршрута;
• сопровождение по маршруту.

Определение положения (позиционирование) автомобиля осуществляется по сигналам навигационных спутников. Для того чтобы определить положение (широту и долготу) автомобиля на местности нужно принять сигналы минимум 3-х спутников. Сигнал от 4-го спутника позволяет еще определить еще и высоту над уровнем моря. При получении сигналов GPS-приемник вычисляет расстояние до каждого спутника, на основании которого определяются пространственные координаты автомобиля.

В мире функционирует две спутниковых навигационных системы: американская Navstar GPS (глобальная система позиционирования ) и российская ГЛОНАСС (глобальная навигационная спутниковая система ). Система ГЛОНАСС немного отстает от GPS по количеству спутников и точности определения положения. В настоящее время точность позиционирования системы GPS составляет 2-4 м, ГЛОНАСС – 3-6 м. Наибольшую точность (2-3 м) дает совместное использование GPS и ГЛОНАСС, которое реализовано в ряде мобильных навигаторов.

При определенных условиях (движение в городе, тоннеле) получение сигналов от спутников становится проблематичным. В штатной навигационной системе для позиционирования в условиях плохого сигнала используются датчики угловой скорости колес системы ABS и датчики продольного и поперечного ускорения системы ESP . С помощью датчиков оценивается скорость и направление движения.

В мобильных системах данную функцию выполняет навигационная программа. При потере сигнала система считает, что автомобиль движется по заданному маршруту с постоянной скоростью.

Ввод пункта назначения в навигационной системе осуществляется несколькими способами: по адресу, по названию (точки интереса, POI), по координатам и непосредственно точкой на карте. В ряде штатных и мобильных навигационных систем реализован голосовой ввод пункта назначения.

После ввода пункта назначения система производит расчет маршрута с учетом множества факторов (улицы с односторонним движением, мосты, тупики и др.). В ряде штатных навигационных систем предлагается несколько вариантов маршрута, рассчитанных по различным критериям (расстояние, время, деньги). Например, короткий маршрут будет состоять из возможно более коротких участков и не учитывать ограничения скорости. Быстрый маршрут строится с учетом класса дороги (магистраль, федеральная трасса, городская улица) и ограничений скорости на этих дорогах. Экономичный маршрут учитывает и расстояние и время. Времени, при этом, отдается предпочтение.

Но все эти маршруты не учитывают текущую ситуацию на дороге (пробки, аварии, ремонт и др.). Поэтому наибольшим спросом у автомобилистов пользуются навигационные системы, предлагающие динамический расчет маршрута с учетом дорожной обстановки. Информация о дорожной обстановке в режиме реального времени может передаваться двумя способами: по радиосвязи и интернет.

На радиосвязи построен канал сообщений о ситуации на дороге TMC (Traffic Message Channel). По каналу TMC информация передается в виде закодированных сигналов. В России канал сообщений о ситуации на дорогах развит недостаточно. TMC используется в штатных навигационных системах автомобилей Volvo, Land Rover, Honda и мобильных навигаторах Alpine, Garmin.

Альтернативой каналу TMC является передача информации о дорожной ситуации по интернет-каналу. Данную технологию использует большинство мобильных навигаторов, КПК и смартфонов. С мобильного навигатора выход в интернет может быть организован двумя способами: с помощью GPRS-модуля и SIM-карты, через мобильный телефон по каналу Bluetooth.

Информация о дорожной ситуации поступает из разных источников сети интернет. Программа Навител имеет собственный сервис «Навител. Пробки». Свою систему загруженности дорог по полосам предлагает навигационная программа СитиГид. В других программах используется известный сервис «Яндекс. Пробки».

Необходимо отметить, что штатные навигационные системы, как правило, не имеют связи с сетью интернет, а если и имеют, то этот канал не используется для получения информации о дорожной ситуации. Исключение составляет новейшая система RTTI (Real Time Traffic Information) от BMW, построенная на основе сотовой связи и получающая информацию в рамках системы TPEG (Transport Protocol Expert Group).

Сопровождение по маршруту реализуется с помощью визуальных и голосовых указаний. Указания выдаются последовательно от перекрестка к перекрестку. В разных навигационных программах функция сопровождения по маршруту реализована приблизительно одинаково, где-то чуть лучше, где-то чуть хуже. Есть и серьезные отличия. Например, в навигационной программе Прогород работает сервис Junction View, который при приближении к перекресткам и сложным развязкам предлагает реалистичную картинку-подсказку с указанием направления движения.

Навигационные системы (глобальная позиционирующая сис­тема или GPS - Global Positioning System) находят все более широкое применение в странах Западной Европы, США, Японии. Начинается применение этих систем и в странах бывших странах Советского Союза, однако развитие систем навигации сдерживается главным образом из-за отсутствия карт местности.

Главными задачами система навигации являются:

• определение нахождения автомобиля в текущий момент
• ввод пункта назначения с определением оптимального маршрута

При выборе маршрута предлагается 3 варианта – быстрый, нормальный и короткий. Кроме этого указывается где находятся платные дороги и особенности движения по каждому маршруту.

Для того чтобы пользовать­ся GPS-навигацией, нужен как минимум GPS-приемник. Но само по себе он не более чем спутниковый компас, знающий свои точные координаты. Чтобы связать эти координаты с конкретной цифровой картой местности, нужно более сложное устрой­ство, например, GPS-навига­тор со встроенным GPS-приемником.

Рис. Навигатор

Что такое навигатор?

GPS-навигаторы – устройства со сравнительно простой про­граммной оболочкой, ориен­тированные преимущественно на решение навигационных задач и способные работать только с одним предусмотрен­ным производителем типом карт.

Вычисление положения GPS-приемника осуществляется на основе заранее известных координат спутников систе­мы. Физически это выража­ется в том, что исходными данными для решения задачи позиционирования являются расстояния от объекта до всех видимых им в данный момент спутников. Для упрощения допустим, что все видимые спутники находятся на своих орбитах в неподвижном со­стоянии.

Обратимся к геометрии

Рис. Обнаружение объекта спутниками:
а – сфера от одного спутника; б – пересечение сфер от двух спутников; в – пересечение сфер от трех спутников

Оставшаяся точка и харак­теризует координаты прием­ника. Расстояния до спутников (радиусы описанных сфер) вы­числяются просто – на основе фиксации времени прохожде­ния сигнала до объекта и его скорости.

Для определения поло­жение спутников на орбите помимо совокупности спутников, рассредоточенных по стационарным орбитам, су­ществует наземный комплекс управления. В его состав вхо­дят станции слежения, под­держивающие постоянный контакт с элементами орби­тальной группировки. По по­лученным данным в центре управления вычисляются точ­ные координаты искусствен­ных спутников и через станции связи передаются на летатель­ные аппараты. При расчетах принято, что ско­рость распространения сигна­ла равна скорости света. По­этому необходимо учесть еще точность и синхронизацию ра­боты часовых механизмов, ко­торыми оснащены спутник и приемник, а также искажения, вызванные различными препятствиями на пути прохожде­ния информационной волны. Для устранения ошибок в ком­пьютере приемника использу­ются специальные алгоритмы, которые корректируют время до тех пор, пока местополо­жение приемника не будет определено с заранее задан­ной погрешностью. Алгоритм также учитывает данные, по­ступившие от четвертого, пя­того и др. сателлитов, которые находятся в «зоне видимости» приемника.

Отметим, что полноценная группировка, которая обе­спечит покрытие всей поверх­ности земного шара, должна включать 24 орбитальных объекта, то есть максималь­ное количество видимых при­емником спутников в любой точке земли — 12 единиц. Од­нако на сегодняшний день количество действующих ап­паратов систем навигации уже составляет 30 единиц.

На рисунке показана структура навигационной системы. Система может осу­ществлять навигационное счисление, определять положение автомобиля на карте местности по конфигурации пройденного пути, определять абсолютные коорди­наты с помощью спутниковой системы GPS. С помощью навигационного счисле­ния определяют относительное положение автомобиля и направление движения по информации, полученной с датчиков скорости вращения колес и азимута.

Конфигурация участка пройденного пути, полученная с помощью навигацион­ного счисления, сравнивается с конфигурацией дорог, нанесенных на карту. Определив дорогу, по которой движется автомобиль, система находит и его теку­щие координаты. Более точное определение координат автомобиля на карте про­изводится с помощью GPS по широте и долготе. Считается, что для практических целей достаточно знать координаты автомобиля с точностью до размера половины квартала, т. е. ±100 метров.

Автомобильная навигационная система должна иметь в своем составе датчики пройденного пути и направления движения.

Датчик пройденного пути

Датчик пройденного пути - это та или иная конструкция электронного одо­метра, информация в который поступает с датчиков скорости вращения колес ABS. Одометрам присущ ряд систематических погрешностей, которые необходимо корректировать. К ним относятся:

1. Разница в диаметрах новой и изношенной покрышки дает погрешность в определении пройденной дистанции до 3%.
2. За счет увеличения диаметра покрышки от центробежной силы на каждые 40 км/час скорости автомобиля погрешность в определении пройденной дистан­ции увеличивается на 0,1…0,7%.
3. Изменение давления в шинах на 689 кПа увеличивает погрешность на 0,25…1,1%.

Для определения направления движения автомобиля обычно используются датчик азимута, датчики скорости вращения колес, гироскопы.

Рис. Структура навигационной системы

Датчик азимута

Датчик азимута (компас) использует магнитное поле Земли и представляет собой коль­цевой сердечник 2 из ферромагнетика, на который намотаны обмотка возбуждения 1и перпендикулярно друг другу две выходные обмотки 3 и 4. К обмотке возбуждения приложено синусои­дальное напряжение. При отсутствии внешнего магнитного поля в выходных обмотках наводит­ся ЭДС взаимоиндукции, также синусоидальная, с нулевым средним значением. При наличии по­стоянного внешнего магнитного поля (магнитного поля Земли) происхо­дит искажение синусоидальной формы магнит­ного потока в сердечнике за счет наложения постоянной составляющей и напряжений вы­ходных обмоток.

Рис. Геомагнитный датчик азимута:
1 – обмотка возбуждения; 2 – коль­цевой сердечник из ферромагнетика; 3 – выходная обмотка с координатой X; 4 – выходная обмотка с координатой Y

Датчики скорости вращения колес

В системах GPS используются датчики скорости вращения передних колес, применяемые для ABS. Угол поворота автомобиля определяется по разности путей, проходимых при повороте левым и правым колесом.

Гироскоп

При использовании гироскопа определяется угловая скорость автомобиля на повороте и интегрируется для определения угла поворота. В навигационных сис­темах используются различные типы гироскопов. Ниже в качестве примера рассматривается примене­ние газового гироскопа.

Гироскоп работает следующим образом. Насос создает поток газа (гелия) 2 с заданной скоростью истечения и направляет его через сопло 1на две нагретые проволочки датчика w1 и w2 (рис.). Угловая скорость автомобиля определяется по изменению сопротивлений проволочек датчика. Когда поток гелия выходит из сопла насоса, он постепенно расширяется.

Рис. Измерительная система гироскопа (расположение потока газа при повороте)

Когда автомобиль движется пря­мо, распределение скоростей сим­метрично относительно проволочек, они охлаждаются одинаково и на выходе мостовой схемы, частью ко­торой являются проволочки, пулевое напряжение. При поворо­те возникает сила Кориолиса, сме­щающая газовый поток, проволочки охлаждаются неравномерно, их со­противления электрическому току различны, на выходе мостовой схемы появляется напряжение, пропорциональное угловой скорости автомобиля на повороте.

Навигационное счисление – это метод определения координат движущегося объекта (автомобиля, самолета, судна и т. д.) по отношению к стартовой точке. Используется сумма векторов пройденных расстояний, информация о направле­ниях поступает с датчика азимута или датчика скорости вращения колес. На рисунке показано применение навигационного счисления к определению коор­динат объекта (автомобиля).

Рис. Определение координат автомобиля методом навигационного счисления:
X0, Y0 – начальные координаты; Δi – приращение текущего положения; θi – угловое положение; X, Y – координаты нахождения автомобиля

Магнитное поле также искажается в тоннелях, на металлических мостах, при движении вдоль автопоездов. Применение датчиков скорости вращения колес на­ряду с компасом часто решает эту проблему. Датчики скорости вращения колес не чувствительны к таким искажениям, на практике датчики азимута и скорости вра­щения колес дополняют друг друга при определении направления движения авто­мобиля.

Навигационное счисление дает низкую точность определения текущих коорди­нат объекта. Для автомобиля приходится корректировать координаты, определен­ные методом навигационного счисления каждые 10…15 км. Корректировка будет корректной если автомоби­ли передвигаются по дорогам, которые нанесены на электронную карту.

Электронные карты

В некоторых навигационных системах картографическая информация хранится централизованно и передается на автомобиль по радиоканалу, но в большинстве случаев навигационная система предполагает наличие необходимой базы данных на борту автомобиля.

CD-ROM используется для хранения картографической и дорожной информа­ции с целью сравнения конфигураций дорог и пройденного пути, поиска оптима­льного маршрута, вывода карты местности на дисплей.

В матричном формате каждому элементу карты (пикселю) соответствуют свои значения декартовых координат X-Y. Матричные карты требуют много места в памяти компьютера или па носителе информации и неудобны для математических операций при прокладке и слежении за маршрутом.

В векторном формате дороги, улицы представляются последовательностями от­резков прямых, описанных аналитически, пересечения – узлами. Узлы идентифицируют координатами – долготой и широтой. Если дорога (улица) не прямая, в точке излома также помещается узел. Таким образом, дороги (улицы) любой конфигурации аппроксимируются набором векторов и узлов.

Рис. Улицы и узлы на векторной карте

Имеющиеся карты или изображения местности, полученные с самолетов и спутников, сканируются. Затем специальное программное обеспечение трансфор­мирует изображение сначала в матричный, а затем в векторный формат.

Электронная карта несет такую информацию, как номера дорог, названия улиц, номера домов между перекрестками, одностороннее или двухстороннее дви­жение на улице, названия отелей, ресторанов и т. д.

Сенсорный переключатель на экране позволяет менять режим вывода изображения, выбирая раздельный или полный экран со стрелочными указателями поворотов, список поворотов или информацию о съездах с автострады.

Рис. Указатели поворотов

Ориентирование на карте местности по конфигурации пройденного пути

Сначала навигационная система определяет, какие из близлежащих дорог мо­гут соответствовать координатам автомобиля, определенным навигационным счислением. Затем делается сравнение, выбирается наиболее подходящая дорога и корректи­руются координаты автомобиля по карте. Когда автомобиль достигает перекрест­ка, выбор дороги определяется направлением движения. Если дороги на перекрестке выглядят примерно одинаково, навигационный компьютер прослеживает их по карте вперед и определяет коэффициент корре­ляции для каждой из дорог по отношению к требуемому маршруту. Выбирается дорога с наибольшим коэффициентом корреляции.

Навигационные системы позволяют получать информацию голосовым управлением, что позволяет получать необходимые сведения не отрываясь от дороги. В общей сложности современные системы распознают до 1500 слов.

Для подробного рассмотрения выбранного участка можно его приблизить или удалить для охвата более обширной зоны. На дисплей можно одновременно выводить две карты, одна из которых показывает более детальный ряд, а другая дает более широкий охват. В случае необходимости имеется возможность найти ближайший отель, ресторан, заправку, СТО, место парковки и т.д.

Рис. Разделение экрана

Для изучения маршрута следования водитель может выполнить предварительный просмотр маршрута.

За 500 метров до приближающегося перекрестка на экран автоматически выводится увеличенная схема развязок. По мере приближения к перекрестку будет звучать голосовое сообщение, напоминающее водителю о предстоящих действиях. Если водитель пропустил нужный поворот, система сама скорректирует маршрут.

В случае недостаточной информации о местонахождении пункта назначения система навигации может производить поиск по адресу, почтовому индексу, по географической широте и долготе, по карте, по перекресткам и въездам-съездам с автострады. В память системы может вводится информация о местах, которые водитель желает посетить снова.

При возникновении автомобильных пробок или затрудненном дорожном движении на пути следования выбранного маршрута, система рассчитывает и предлагает альтернативный маршрут.

Выбор оптимального маршрута

Кроме определения текущих координат автомобиля, навигационная система также может выдавать информацию, облегчающую выбор оптимального пути сле­дования к месту назначения. Для этого навигационный компьютер рассматривает дорожную сеть между исходным пунктом и пунктом назначения и выбирает крат­чайший маршрут. Примером метода определения кратчайшего пути по карте яв­ляется алгоритм Дейкстра (Dijkstra algorithm).

В алгоритме Дейкстра производится определение всех пересечений дорог от стартовой точки и вычисляются кратчайшие пути до каждой точки пересечения. Например, если имеется дорожная сеть, как на рисунке, поиск пересечений начнется от начальной точки А. Сначала будут рас­смотрены пересечения В и С. Расстояния от точки А до каждого из пересечений указаны внутри кружочков. Затем рассматриваются пересечения Е и F, соединяю­щиеся с точкой С, для этих пересечений указано расстояние от стартовой точки А. В-третьих, рассматриваются пересечения D и Е, соединенные с точкой В, на рисунке б указаны расстояния от стартовой точки А до D и Е. При этом расстояние до точки Е указано через точку С, т. к. оно меньше, чем че­рез D (было бы 8). Точка D связана с точкой Е, и маршрут через Е оказывается короче. Кратчайшим путем до D оказывается маршрут A-C-E-D.

Использование этого алгоритма позволяет определить кратчайший маршрут к месту назначения. Располагая современной навигационной системой, водитель может не опасаться сбиться с пути.

Рис. Алгоритм Дейкстра

Дальнейшее развитие GPS получило в развитии интеллектуальных транспортных систем (ITS - Intelligent Transportation Systems).

Подобную систему Extended Floating Car Data-System (XFCD) представила компания BMW.

Испытание проводилось на специальной тестовой трассе в SBC Park и было призвано продемонстрировать возможности системы. Например, автомобиль попадает на скользкую дорогу. За считанные секунды система обрабатывает информацию и предупреждает в режиме реального времени следующий за ним автомобиль. Та же информация в то же самое время передается стационарным службам движения, которые статистически обрабатывают поступающие данные и рассылают их обратно другим участникам движения.

Система определения дорожной ситуации XFCD станет в будущем усовершенствованным последователем существующей системы Floating Car Data, что переводится как «данные с движущегося автомобиля». Уже сегодня с помощью FCD автомобили посылают свои данные о местонахождении в определенный момент времени на центральный пульт движения, который сопоставляет получаемые сообщения с сообщениями других автомобилей, оснащенных FCD, с целью распознавания дорожных и внештатных ситуаций. Система XFCD способна сама распознавать дорожную ситуацию, анализировать все имеющиеся данные в автомобиле и передавать обработанные данные на центральный пульт движения. Параллельно система способна через систему-коммуникатор «Авто-Авто» предупреждать другие автомобили в зоне действия передатчика.

XFCD функционирует на базе имеющейся навигационной системы, и ее ввод в эксплуатацию заключается лишь в загрузке программы. Введение бортовой сети позволяет синхронно задействовать целый спектр возможностей. В устроенном таким образом современном автомобиле система получает доступ и совмещение с множеством других информационных блоков управления. Это ближний и дальний свет, противотуманное освещение, термометр внешней среды и кондиционер, тормоза и навигационная система, сенсор дождя и омыватель стекла, а также прочие не менее важные мелочи. Все эти механизмы функционируют в зависимости от дорожной ситуации. Так, на понижение температуры окружающей среды, лед или даже неожиданное появление масла на участке дороги автомобиль тут же отреагирует регулированием системы стабилизационного контроля (DSC) и скорости движения.

Еще одно неоспоримое преимущество системы XFCD заключается в возможности передачи сообщений напрямую другим автомобилям. Информация передается посредством Ad-hoc-сети всем автомобилям в ближайших окрестностях. Каждый автомобиль, в зависимости от ситуации, выполняет роль или отправителя, или получателя, или передатчика. Преимущество зарекомендовавшей себя технологии Multi-Hopping неоспоримо: Ad-hoc-сеть организуется автономно, обладает необходимой дальностью радиуса действия и не требует создания специальной инфраструктуры.

Следите за маршрутом на маленьком экране телефона? Миритесь со скромным функционалом навигатора? Загромождаете приборную доску девайсами? Зачем, если можно купить штатный навигационный мультимедийный центр и наслаждаться всеми современными технологиями в одном корпусе?

Штатный навигатор для авто устанавливается в специальный отсек на приборной доске и позволяет:

• прокладывать маршруты;
• слушать музыку;
• смотреть фото и видео;
• выходить в интернет;
• проверять почту;
• работать в офисных программах.

Купить штатную навигационную систему - значит получить прибор с неограниченным функционалом, созданный специально для Вашей машины. Большинство штатных навигаторов работает на планшетных ОС, так что Вы можете скачивать любые приложения. При этом не нужно пересчитывать маршрут, если Вам кто-то позвонил, заботиться о зарядке и отвлекаться на управление несколькими гаджетами.

Приоритет «Путевого» - это продажа навигационных мультимедийных центров по лучшим ценам. У нас представлены штатные навигаторы для всех популярных марок:

• Nissan
• Toyota
• Renault
• Mazda
• Honda
• Volkswagen
• Hyundai
• Chevrolet
• Mitsubishi
• Subaru
• Citroen
• Skoda
• Suzuki
• Peugeot

Прежде чем купить штатный навигатор для своего автомобиля, ознакомитесь с описанием и фото каждого бренда.