Спутниковое навигационное устройство или устройство satnav , также известное как спутниковый навигационный приемник или приемник satnav или просто устройство GPS , является пользовательским оборудованием, которое использует спутники Глобальной системы позиционирования (GPS) или аналогичные глобальные навигационные спутниковые системы (GNSS). Устройство satnav может определять географические координаты пользователя и может отображать географическое положение на карте и предлагать указания по маршруту (как в пошаговой навигации ).
По состоянию на 2023 год [обновлять]действуют четыре системы GNSS: оригинальный GPS США, Galileo Европейского Союза , российская ГЛОНАСС [1] [2] и китайская навигационная спутниковая система BeiDou . Индийская региональная навигационная спутниковая система (IRNSS) последует за ней, а японская квазизенитная спутниковая система ( QZSS ), запуск которой запланирован на 2023 год, повысит точность ряда GNSS.
Устройство спутниковой навигации может получать информацию о местоположении и времени от одной или нескольких систем GNSS при любых погодных условиях, в любом месте на поверхности Земли или вблизи нее. Для приема спутниковой навигации требуется беспрепятственная линия видимости до четырех или более спутников GNSS [3] и условия плохого спутникового сигнала. В исключительно плохих условиях сигнала, например в городских районах, спутниковые сигналы могут демонстрировать многолучевое распространение , когда сигналы отражаются от конструкций или ослабляются метеорологическими условиями. Препятствия на линии видимости могут возникать из-за кроны деревьев или внутри конструкции, например, в здании, гараже или туннеле. Сегодня большинство автономных приемников спутниковой навигации используются в автомобилях. Возможности спутниковой навигации смартфонов могут использовать технологию вспомогательной GNSS (A-GNSS), которая может использовать базовую станцию или вышки сотовой связи для обеспечения более быстрого времени до первого определения местоположения (TTFF), особенно когда спутниковые сигналы плохие или недоступны. Однако мобильная сетевая часть технологии A-GNSS не будет доступна, если смартфон находится за пределами зоны действия мобильной сети приема, в то время как аспект спутниковой навигации в противном случае будет по-прежнему доступен.
Как и многие другие технологические прорывы конца 20-го века, современная система GNSS может быть обоснованно признана прямым результатом Холодной войны конца 20-го века. Многомиллиардные [ требуется цитата ] расходы на программы США и России изначально были оправданы военными интересами. Напротив, европейский Galileo был задуман как чисто гражданский.
В 1960 году ВМС США ввели в эксплуатацию свою спутниковую навигационную систему Transit для помощи в морской навигации. В середине 1960-х годов ВМС США провели эксперимент по отслеживанию подводной лодки с ракетами с шестью спутниками и орбитальными полюсами и смогли наблюдать изменения спутников. [4] В период с 1960 по 1982 год, по мере того как преимущества были продемонстрированы, военные США последовательно улучшали и совершенствовали свою технологию спутниковой навигации и спутниковую систему. В 1973 году военные США начали планировать всеобъемлющую всемирную навигационную систему, которая в конечном итоге стала известна как GPS (глобальная система позиционирования).
В 1983 году, после трагедии сбития рейса 007 Korean Air Lines , самолета, который был сбит в советском воздушном пространстве из-за навигационной ошибки, президент Рональд Рейган сделал навигационные возможности существующей военной системы GPS доступными для двойного гражданского использования. Однако гражданское использование изначально представляло собой лишь слегка ухудшенный сигнал позиционирования « Selective Availability ». Эта новая доступность американской военной системы GPS для гражданского использования потребовала определенного технического сотрудничества с частным сектором в течение некоторого времени, прежде чем она смогла стать коммерческой реальностью. Macrometer Interferometric Surveyor был первой коммерческой системой на основе GNSS для выполнения геодезических измерений. [5] [6]
В 1989 году компания Magellan Navigation Inc. представила свой Magellan NAV 1000, первый в мире коммерческий портативный GPS-приемник. Первоначально эти устройства продавались примерно по 2900 долларов США за штуку. В 1990 году Eunos Cosmo от Mazda стал первым серийным автомобилем в мире со встроенной системой Satnav . [7] В 1991 году компания Mitsubishi представила автомобильную навигацию Satnav на Mitsubishi Debonair (MMCS: Mitsubishi Multi Communication System). [8] В 1997 году навигационная система с использованием дифференциального GPS была разработана в качестве заводской опции для Toyota Prius . [9] В 2000 году администрация Клинтона сняла ограничения на использование сигнала в военных целях, тем самым предоставив полный коммерческий доступ к спутниковой системе Satnav США.
По мере того, как навигационные системы GNSS становились все более распространенными и популярными, цены на такие системы начали падать, а их широкая доступность неуклонно росла. На рынок вышли несколько дополнительных производителей этих систем, таких как Garmin (1991), Benefon (1999), Mio (2002) и TomTom (2002). Mitac Mio 168 был первым карманным ПК со встроенным GPS-приемником. [10] Выход Benefon на рынок в 1999 году также предоставил пользователям первую в мире телефонную навигационную систему GPS. Позже, по мере развития технологий смартфонов, чип GPS в конечном итоге стал стандартным оборудованием для большинства смартфонов. На сегодняшний день все более популярные спутниковые навигационные системы и устройства продолжают распространяться с новыми разработанными программными и аппаратными приложениями. Он был встроен, например, в камеры.
Хотя американская GPS была первой спутниковой навигационной системой, развернутой в полном глобальном масштабе и доступной для коммерческого использования, это не единственная система такого типа. Из-за военных и других проблем аналогичные глобальные или региональные системы были или вскоре будут развернуты Россией, Европейским союзом, Китаем, Индией и Японией.
Устройства GNSS различаются по чувствительности, скорости, уязвимости к многолучевому распространению и другим параметрам производительности. Высокочувствительные приемники используют большие банки корреляторов [ необходимо разъяснение ] [ необходима цитата ] и цифровую обработку сигналов для очень быстрого поиска сигналов. Это приводит к очень быстрому времени первой фиксации , когда сигналы находятся на своем нормальном уровне, например, на открытом воздухе. Когда сигналы слабые, например, в помещении, дополнительная вычислительная мощность может быть использована для интеграции слабых сигналов до точки, где они могут быть использованы для предоставления решения по местоположению или времени.
Сигналы GNSS уже очень слабы, когда достигают поверхности Земли. Спутники GPS передают только 27 Вт (14,3 дБВт) с расстояния 20 200 км на орбите над Землей. К тому времени, когда сигналы достигают приемника пользователя, они обычно слабы до −160 дБВт , что эквивалентно 100 аттоваттам (10 −16 Вт) [ необходимо разъяснение ] . Это значительно ниже уровня теплового шума в его полосе пропускания. На открытом воздухе сигналы GPS обычно находятся на уровне около −155 дБВт (−125 дБм ).
Обычные GPS-приемники интегрируют полученные GPS-сигналы в течение того же времени, что и длительность полного цикла кода C/A, который составляет 1 мс. Это приводит к возможности захвата и отслеживания сигналов вплоть до уровня около −160 дБВт. Высокочувствительные GPS-приемники способны интегрировать входящие сигналы в течение времени, которое может быть в 1000 раз больше этого, и, следовательно, захватывать сигналы в 1000 раз слабее, что приводит к усилению интеграции в 30 дБ. Хороший высокочувствительный GPS-приемник может захватывать сигналы вплоть до −185 дБВт, а отслеживание может быть продолжено вплоть до уровней, приближающихся к −190 дБВт.
Высокочувствительный GPS может обеспечить позиционирование во многих, но не во всех помещениях . Сигналы либо сильно ослабляются строительными материалами, либо отражаются, как при многолучевом распространении . Учитывая, что высокочувствительные GPS-приемники могут быть на 30 дБ более чувствительными, этого достаточно для отслеживания через 3 слоя сухих кирпичей или до 20 см (8 дюймов) железобетона, например. [ необходима цитата ]
Примерами высокочувствительных приемных чипов являются SiRFstarIII и MediaTek `s MTK II. [11]
Последовательный GPS-приемник отслеживает необходимые спутники, обычно используя один или два аппаратных канала. [12] Набор будет отслеживать один спутник за раз, маркировать измерения по времени и объединять их, когда будут измерены все четыре псевдодальности спутников. Эти приемники являются одними из самых дешевых из доступных, но они не могут работать в условиях высокой динамики и имеют самую медленную производительность времени до первой фиксации (TTFF) .
К потребительским навигационным устройствам GNSS относятся:
Специальные устройства имеют различную степень мобильности. Ручные , уличные или спортивные приемники имеют сменные батареи, которые могут работать в течение нескольких часов, что делает их подходящими для пеших прогулок , велотуризма и других видов деятельности вдали от источника электроэнергии. Их конструкция эргономична , их экраны небольшие, а некоторые не отображают цвета, отчасти для экономии энергии. Некоторые используют трансфлективные жидкокристаллические дисплеи , что позволяет использовать их при ярком солнечном свете. Корпуса прочные, а некоторые водонепроницаемые.
Другие приемники, часто называемые мобильными , предназначены в первую очередь для использования в автомобиле, но имеют небольшую перезаряжаемую внутреннюю батарею, которая может питать их в течение часа или двух [ требуется ссылка ] вдали от автомобиля. Специальные устройства для использования в автомобиле могут быть установлены постоянно и полностью зависеть от автомобильной электрической системы. Многие из них имеют сенсорные экраны в качестве метода ввода. Карты могут храниться на карте памяти . Некоторые предлагают дополнительные функции, такие как элементарный музыкальный проигрыватель , просмотрщик изображений и видеоплеер . [13]
Предустановленное встроенное программное обеспечение ранних приемников не отображало карты; приемники XXI века обычно отображают интерактивные карты улиц (определенных регионов), которые также могут показывать достопримечательности , информацию о маршруте и пошаговые инструкции по прокладке маршрута, часто в речевой форме с помощью функции, называемой « текст в речь ».
Производители включают в себя:
Почти все смартфоны теперь включают в себя приемники GNSS [ требуется цитата ] . Это было обусловлено как потребительским спросом, так и поставщиками услуг. Сейчас существует множество телефонных приложений, которые зависят от услуг определения местоположения, таких как навигационные средства, и множественных коммерческих возможностей, таких как локализованная реклама. На раннем этапе развития доступ к услугам определения местоположения пользователя обеспечивался европейскими и американскими службами экстренной помощи для помощи в определении местоположения звонящих. [14]
Все операционные системы смартфонов предлагают бесплатные картографические и навигационные услуги , требующие подключения к данным; некоторые позволяют предварительно приобретать и загружать карты, но спрос на это уменьшается, поскольку карты, зависящие от подключения к данным, как правило, могут быть кэшированы в любом случае. Существует множество навигационных приложений, и постоянно появляются новые версии. Основные приложения включают Google Maps Navigation , Apple Maps и Waze , которые требуют подключения к данным, iGo для Android, Maverick и HERE для Windows Phone, которые используют кэшированные карты и могут работать без подключения к данным. Следовательно, почти любой смартфон теперь может считаться персональным помощником по навигации .
Использование мобильных телефонов в качестве навигационных устройств превзошло использование автономных устройств GNSS. В 2009 году независимая аналитическая фирма Berg Insight обнаружила, что количество телефонов GSM/WCDMA с поддержкой GNSS только в США составило 150 миллионов единиц, [15] по сравнению с продажей всего 40 миллионов автономных приемников GNSS. [16]
Assisted GPS (A-GPS) использует комбинацию спутниковых данных и данных вышек сотовой связи, чтобы сократить время первого определения , уменьшить необходимость периодической загрузки спутникового альманаха и помочь определить местоположение, когда спутниковые сигналы нарушаются близостью больших зданий. При нахождении вне зоны действия вышки сотовой связи производительность определения местоположения телефона, использующего A-GPS, может быть снижена. Телефоны с гибридной системой позиционирования на основе A-GPS могут поддерживать определение местоположения, когда сигналы GPS неадекватны триангуляции вышек сотовой связи и местоположений точек доступа WiFi. Большинство смартфонов загружают спутниковый альманах, когда они онлайн, чтобы ускорить определение местоположения GPS, когда они вне зоны действия вышек сотовой связи. [17]
Некоторые старые телефоны с поддержкой Java , не имеющие встроенного GPS, по-прежнему могут использовать внешние GPS-приемники через последовательное соединение или соединение Bluetooth , но сейчас необходимость в этом возникает редко.
При подключении к ноутбуку некоторые телефоны могут также предоставлять услуги локализации для ноутбука. [18]
Компании-разработчики программного обеспечения сделали доступными программы GPS-навигации для использования в автомобиле на ноутбуках. [19] Преимущества GPS на ноутбуке включают в себя более широкий обзор карты, возможность использования клавиатуры для управления функциями GPS, а некоторые программы GPS для ноутбуков предлагают расширенные функции планирования поездок, недоступные на других платформах, такие как остановки на полпути, возможность поиска альтернативных живописных маршрутов, а также возможность выбора только шоссе.
Palm [20] и Pocket PC также могут быть оснащены GPS-навигацией. [21] Карманный ПК отличается от специализированного навигационного устройства тем, что имеет собственную операционную систему и может также запускать другие приложения.
.jpg/1280px-GPS_receiver_(mouse).jpg)
Другие устройства GPS должны быть подключены к компьютеру для работы. Этот компьютер может быть домашним компьютером , ноутбуком , КПК , цифровой камерой или смартфоном . В зависимости от типа компьютера и доступных разъемов, подключение может быть выполнено через последовательный или USB- кабель, а также через Bluetooth , CompactFlash , SD , PCMCIA и более новую ExpressCard . [22] Некоторые устройства PCMCIA/ExpressCard GPS также включают беспроводной модем . [23]
Устройства обычно не поставляются с предустановленным программным обеспечением GPS-навигации , поэтому после покупки пользователь должен установить или написать свое собственное программное обеспечение. Поскольку пользователь может выбирать, какое программное обеспечение использовать, оно может быть лучше подобрано под его личный вкус. Очень часто GPS-приемник на базе ПК поставляется в комплекте с набором навигационного программного обеспечения. Кроме того, программные модули значительно дешевле, чем полные автономные системы (около 50–100 евро ). Программное обеспечение может включать карты только для определенного региона или всего мира, если используется такое программное обеспечение, как Google Maps.
Некоторые любители также создали некоторые устройства Satnav и открыли исходный код своих планов. Примерами могут служить устройства Elektor GPS. [24] [25] Они основаны на чипе SiRFstarIII и сопоставимы с их коммерческими аналогами. Также доступны другие чипы и программные реализации. [26]
Автомобильная навигационная система получает данные о местоположении от системы GNSS и, в зависимости от установленного программного обеспечения, может предлагать следующие услуги:
Авиаторы используют Satnav для навигации и повышения безопасности и эффективности полета. Это может позволить пилотам быть независимыми от наземных навигационных средств, обеспечить более эффективные маршруты и обеспечить навигацию в аэропортах, в которых отсутствует наземное навигационное и наблюдательное оборудование. В настоящее время существуют некоторые устройства GPS, которые позволяют авиаторам получить более четкий обзор в областях, где спутник дополняется для возможности безопасной посадки в условиях плохой видимости. В настоящее время для GPS создано два новых сигнала, первый из которых предназначен для помощи в критических условиях в небе, а другой сделает GPS более надежной навигационной службой. Многие авиационные службы теперь сделали использование GPS обязательным. [27] Коммерческие авиационные приложения включают устройства GNSS, которые вычисляют местоположение и передают эту информацию в большие многовходовые навигационные компьютеры для автопилота , информацию о курсе и корректирующие дисплеи для пилотов, а также устройства отслеживания и записи курса.
Военные приложения включают устройства, похожие на потребительские спортивные товары для пехотинцев (командиров и солдат), небольших транспортных средств и кораблей, а также устройства, похожие на приложения коммерческой авиации для самолетов и ракет. Примерами являются цифровые помощники командира и солдата армии США . [28] [29] [30] [31] До мая 2000 года только военные имели доступ к полной точности GPS. Потребительские устройства были ограничены селективной доступностью (SA), которая должна была быть постепенно отменена, но была внезапно отменена президентом Клинтоном. [32] Дифференциальный GPS - это метод отмены ошибки SA и повышения точности GPS, и был обычно доступен в коммерческих приложениях, таких как гольф-кары. [33] GPS ограничен точностью около 15 метров даже без SA. DGPS может быть в пределах нескольких сантиметров. [34]
Карты и указания GPS иногда бывают неточными. [ требуется ссылка ] Некоторые люди заблудились, спрашивая о кратчайшем маршруте, как, например, пара в Соединенных Штатах, которая искала кратчайший маршрут из Южного Орегона в Джекпот, Невада . [35]
В августе 2009 года молодая мать и ее шестилетний сын застряли в Долине Смерти после того, как следовали указаниям спутниковой навигации, которые привели ее на грунтовую тупиковую дорогу. Когда их нашли пять дней спустя, ее сын умер от последствий жары и обезвоживания . [ 36]
В мае 2012 года японские туристы в Австралии застряли во время поездки на остров Норт-Страдброк , и их навигатор порекомендовал им ехать в залив Мортон . [37]
В 2008 году компания Satnav направила автобус софтбольной команды в 9-футовый туннель, в результате чего крыша автобуса была отрезана, а вся команда была госпитализирована. [38]
Брэд Престон из Орегона утверждает, что люди направляются к его подъездной дорожке пять-восемь раз в неделю, потому что их навигатор показывает улицу, проходящую через его собственность. [38]
Джон и Старри Роудс, пара из Рино, Невада, ехали домой из Орегона, когда увидели, что в округе много снега, но решили продолжить путь, поскольку они уже были в 30 милях от дороги. Но навигатор привел их на дорогу в лесу Орегона, которая не была расчищена, и они застряли на 3 дня. [38]
Мэри Дэвис ехала по незнакомому месту, когда ее навигатор сказал ей повернуть направо на железнодорожные пути, в то время как приближался поезд. Мэри повезло, что был местный полицейский, который заметил ситуацию и настоятельно попросил ее как можно быстрее выбраться из машины. Мэри повезло, что она выбралась из машины, оставив ее на то, чтобы поезд врезался в нее и разбил ее. Офицер заметил, что был очень большой шанс, что у них на руках мог быть смертельный случай. [38]
Другие опасности включают в себя указание переулка как улицы, определение полосы как дороги [39] или определение железнодорожных путей как дороги [40] .
Устаревшие карты иногда приводят к тому, что устройство ведет пользователя по непрямому, тратящему время маршруту, поскольку дороги могут меняться со временем. Информация о спутниковой навигации смартфона обычно обновляется автоматически и бесплатно. Производители отдельных устройств спутниковой навигации также предлагают услуги по обновлению карт для своих товаров, обычно за плату.
Конфиденциальность пользователя может быть нарушена, если портативные устройства, оснащенные Satnav, такие как мобильные телефоны, загружают данные о геолокации пользователя через соответствующее программное обеспечение, установленное на устройстве. Геолокация пользователя в настоящее время является основой для навигационных приложений, таких как Google Maps, рекламы на основе местоположения , которая может рекламировать близлежащие магазины и может позволить рекламному агентству отслеживать перемещения и привычки пользователя для будущего использования. Регулирующие органы различаются в разных странах относительно обращения с данными о геолокации как с привилегированными или нет. Привилегированные данные не могут храниться или иным образом использоваться без согласия пользователя. [41]
Системы слежения за транспортными средствами позволяют работодателям отслеживать местоположение своих сотрудников, что вызывает вопросы о нарушении конфиденциальности сотрудников. Имеются случаи, когда работодатели продолжали собирать данные о геолокации, когда сотрудник был не на работе в личное время. [42]
Службы проката автомобилей могут использовать ту же технику для геозонирования своих клиентов на территориях, за которые они заплатили, взимая дополнительную плату за нарушения. [43] В 2010 году Нью-Йоркский союз защиты гражданских свобод подал иск против Департамента труда за увольнение Майкла Каннингема после того, как он отслеживал его ежедневную активность и местоположение с помощью устройства Satnav, прикрепленного к его автомобилю. [44] Частные детективы используют подброшенные устройства GPS, чтобы предоставлять своим клиентам информацию о перемещениях объекта.
В мае прошлого года [2007 г.] Совет графства Северный Йоркшир в Англии установил знаки на въезде на гравийную дорогу, объявляя ее «непригодной для автотранспорта» после того, как навигационные системы направили водителей на нее как на короткий путь между двумя долинами. Неровная дорога быстро становится каменистой с крутыми спусками в некоторых местах, и местным жителям приходилось помогать машинам разворачиваться.