Устройство спутниковой навигации , устройство спутниковой навигации или приемник спутниковой навигации — это пользовательское оборудование, которое использует одну или несколько глобальных навигационных спутниковых систем (GNSS) для расчета географического положения устройства и предоставления навигационных рекомендаций. В зависимости от используемого программного обеспечения устройство спутниковой навигации может отображать местоположение на карте в виде географических координат или предлагать маршруты маршрута.
По состоянию на 2023 год [обновлять]действуют четыре системы GNSS: оригинальная система глобального позиционирования (GPS) США, Galileo Европейского Союза , российская ГЛОНАСС [1] [2] и китайская навигационная спутниковая система BeiDou . За этим последует Индийская региональная навигационная спутниковая система (IRNSS), а японская спутниковая система «Квазизенит» ( 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. Прием спутниковой навигации требует беспрепятственной прямой видимости до четырех или более спутников GNSS [3] и зависит от плохих условий спутникового сигнала. В исключительно плохих условиях сигнала, например, в городских районах, спутниковые сигналы могут проявлять многолучевое распространение , когда сигналы отражаются от структур или ослабляются метеорологическими условиями. Затруднение прямой видимости может возникнуть из-за кроны дерева 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 первого определения местоположения (TTFF), особенно когда спутниковые сигналы плохие или недоступны. Однако мобильная сетевая часть технологии A-GNSS не будет доступна, когда смартфон находится за пределами зоны действия сети мобильного приема, в то время как в противном случае аспект спутниковой навигации будет по-прежнему доступен.
Автомобильная навигационная система получает данные о местоположении от системы GNSS и, в зависимости от установленного программного обеспечения, может предлагать следующие услуги:
Как и многие другие технологические прорывы конца 20-го века, современную систему GNSS можно обоснованно считать прямым результатом холодной войны конца 20-го века. Многомиллиардные расходы на американские и российские программы изначально были оправданы военными интересами . Напротив, европейский «Галилео» задумывался как чисто гражданский.
В 1960 году ВМС США ввели в эксплуатацию спутниковую навигационную систему Transit для помощи в морской навигации. ВМС США в середине 1960-х годов провели эксперимент по слежению за подводной лодкой с помощью ракет с шестью спутниками и орбитальными полюсами и смогли наблюдать изменения спутников. [4] В период с 1960 по 1982 год, когда были продемонстрированы преимущества, американские военные последовательно совершенствовали и совершенствовали свою технологию спутниковой навигации и спутниковую систему. В 1973 году военные США начали планировать создание всеобъемлющей всемирной навигационной системы, которая в конечном итоге стала известна как GPS (система глобального позиционирования).
В 1983 году, после трагедии, связанной с крушением рейса 007 Korean Air Lines , самолета, который был сбит в советском воздушном пространстве из-за навигационной ошибки, президент Рональд Рейган предоставил навигационные возможности существующей военной системы GPS доступным для двойного гражданского использования. Однако изначально гражданское использование представляло собой лишь слегка ухудшенный сигнал позиционирования « Выборочная доступность ». Эта новая доступность американской военной системы GPS для гражданского использования потребовала определенного технического сотрудничества с частным сектором в течение некоторого времени, прежде чем она могла стать коммерческой реальностью. Macrometer Interferometric Surveyor был первой коммерческой системой на базе GNSS для выполнения геодезических измерений. [5] [6]
В 1989 году компания Magellan Navigation Inc. представила Magellan NAV 1000, первый в мире коммерческий портативный GPS-приемник. Первоначально эти единицы продавались примерно по 2900 долларов США каждая. В 1990 году Mazda Eunos Cosmo стала первым серийным автомобилем в мире со встроенной системой спутниковой навигации . [7] В 1991 году компания Mitsubishi представила автомобильную навигацию спутниковой навигации на автомобиле Mitsubishi Debonair (MMCS: Mitsubishi Multi Communication System). [8] В 1997 году навигационная система с использованием дифференциального GPS была разработана в качестве заводской опции на Toyota Prius . [9] В 2000 году администрация Клинтона сняла ограничения на использование сигнала в военных целях, обеспечив тем самым полный коммерческий доступ к спутниковой системе спутниковой навигации 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 еще несколько производителей этих систем, таких как Garmin (1991 г.), Benefon (1999 г.), Mio (2002 г.) и TomTom (2002 г.). Mitac Mio 168 был первым карманным компьютером со встроенным GPS-приемником. [10] Выход компании Benefon на рынок в 1999 году также подарил пользователям первую в мире систему GPS-навигации на базе телефона. Позже, по мере развития технологий смартфонов, чип GPS стал стандартным оборудованием для большинства смартфонов. На сегодняшний день все более популярные системы и устройства спутниковой навигации продолжают распространяться благодаря новым разработанным программным и аппаратным приложениям. Он был встроен, например, в камеры.
Хотя американская GPS была первой спутниковой навигационной системой, развернутой в 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.
ГНСС добились больших успехов в современном мире. Теперь это может помочь, например, в том, что родители теперь используют устройства GNSS для прикрепления к своим детям, чтобы контролировать их движение и всегда знать их местоположение. Также помогает обнаруживать движения и поведение животных, а также помогает офицерам в автомобильных погонях и отсутствии необходимости преследовать преступника точно за ним и, наконец, использовать пули GPS для поимки преступников. [11]
Устройства GNSS различаются по чувствительности, скорости, уязвимости к многолучевому распространению и другим параметрам производительности. Высокочувствительные приемники используют большие банки корреляторов [ необходимы пояснения ] [ нужна ссылка ] и цифровую обработку сигналов для очень быстрого поиска сигналов. Это приводит к очень быстрому первому исправлению, когда сигналы находятся на нормальном уровне, например, на открытом воздухе. Когда сигналы слабые, например, в помещении, дополнительная вычислительная мощность может быть использована для интеграции слабых сигналов до такой степени, что их можно будет использовать для определения местоположения или определения времени.
Сигналы ГНСС уже очень слабы, когда достигают поверхности Земли. Спутники GPS передают мощность всего 27 Вт (14,3 дБВт) на расстоянии 20 200 км на орбите над Землей. К тому времени, когда сигналы достигают приемника пользователя, их мощность обычно составляет -160 дБВт , что эквивалентно 100 аттоваттам (10 -16 Вт) [ необходимы разъяснения ] . Это значительно ниже уровня теплового шума в его полосе пропускания. На открытом воздухе сигналы GPS обычно имеют уровень около -155 дБВт (-125 дБм ).
Обычные приемники GPS интегрируют полученные сигналы GPS в течение того же периода времени, что и продолжительность полного цикла кода C/A , составляющая 1 мс. Это приводит к возможности захвата и отслеживания сигналов примерно до уровня –160 дБВт. Высокочувствительные GPS-приемники способны интегрировать входящие сигналы в 1000 раз дольше и, следовательно, принимать сигналы в 1000 раз слабее, что приводит к коэффициенту интегрирования 30 дБ. Хороший высокочувствительный GPS-приемник может принимать сигналы до -185 дБВт, а отслеживание можно продолжать до уровней, приближающихся к -190 дБВт.
Высокочувствительный GPS-приемник может обеспечить определение местоположения 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, например, для отслеживания через 3 слоя сухого кирпича или до 20 см (8 дюймов) железобетона. [ нужна цитата ]
Примерами высокочувствительных приемников являются SiRFstarIII и MediaTek MTK II. [12]
К потребительским устройствам GNSS-навигации относятся:
Выделенные устройства обладают различной степенью мобильности. Ручные , уличные или спортивные приемники имеют сменные батареи, которые могут работать в течение нескольких часов, что делает их пригодными для пеших прогулок , поездок на велосипеде и других видов деятельности вдали от источника электроэнергии. Их дизайн эргономичен , экраны маленькие, а некоторые не отображают цвета, отчасти для экономии энергии. Некоторые используют трансфлективные жидкокристаллические дисплеи , позволяющие использовать их при ярком солнечном свете. Чехлы 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 вдали от автомобиля . Устройства специального назначения для использования в автомобиле могут быть установлены стационарно 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; В XXI веке обычно отображаются интерактивные карты улиц (определенных регионов), которые также могут показывать достопримечательности , информацию о маршрутах и пошаговые указания маршрута, часто в устной форме с функцией, называемой «преобразование текста в речь ».
Среди производителей:
Почти все смартфоны теперь оснащены приемниками GNSS . Это обусловлено как потребительским спросом, так и поставщиками услуг. Сейчас существует множество телефонных приложений, которые зависят от служб определения местоположения, таких как навигационные средства, и множества коммерческих возможностей, таких как локализованная реклама. На раннем этапе своего развития доступ к службам определения местоположения пользователей обеспечивался европейскими и американскими службами экстренной помощи, которые помогали определять местонахождение звонящих. [14]
Все операционные системы смартфонов предлагают бесплатные картографические и навигационные услуги , требующие подключения для передачи данных; некоторые допускают предварительную покупку и загрузку карт, но спрос на это уменьшается, поскольку карты, зависящие от подключения к данным, обычно все равно можно кэшировать. Существует множество навигационных приложений, и постоянно появляются новые версии. Основные приложения включают Google Maps Navigation , Apple Maps и Waze , для которых требуется подключение для передачи данных, iGo для Android, Maverick и HERE для Windows Phone, которые используют кэшированные карты и могут работать без подключения для передачи данных. Следовательно, практически любой смартфон теперь можно квалифицировать как персональный навигационный помощник .
Использование мобильных телефонов в качестве навигационных устройств опередило использование автономных устройств GNSS. В 2009 году независимая аналитическая фирма Berg Insight обнаружила, что только в США количество телефонов GSM/WCDMA с поддержкой GNSS насчитывает 150 миллионов единиц, [15] при продаже только 40 миллионов автономных приемников GNSS. [16]
Вспомогательная GPS (A-GPS) использует комбинацию спутниковых данных и данных вышек сотовой связи, чтобы сократить время первого определения местоположения , уменьшить необходимость периодической загрузки спутникового альманаха и помочь определить местоположение, когда спутниковые сигналы нарушены близостью крупных объектов. здания. Когда вы находитесь вне зоны действия вышки сотовой связи, эффективность определения местоположения телефона с использованием A-GPS может снизиться. Телефоны с гибридной системой позиционирования на основе A-GPS могут поддерживать определение местоположения, когда сигналы GPS недостаточны, с помощью триангуляции вышки сотовой связи и определения местоположения точек доступа Wi-Fi. Большинство смартфонов при подключении к Интернету загружают спутниковый альманах, чтобы ускорить определение местоположения по GPS, когда вы находитесь вне зоны действия вышки сотовой связи. [17]
Некоторые старые телефоны с поддержкой Java , не имеющие встроенного GPS, могут по-прежнему использовать внешние приемники GPS через последовательные соединения или соединения Bluetooth , но необходимость в этом сейчас возникает редко.
При подключении к ноутбуку некоторые телефоны также могут предоставлять услуги локализации на ноутбуке. [18]
Компании-разработчики программного обеспечения предоставили программы GPS-навигации для использования в автомобиле на портативных компьютерах. [19] Преимущества GPS на ноутбуке включают более широкий обзор карты, возможность использовать клавиатуру для управления функциями GPS, а некоторые программы GPS для ноутбуков предлагают расширенные функции планирования поездки, недоступные на других платформах, такие как остановки на полпути, возможность найти альтернативные живописные маршруты, а также вариант только по шоссе.
Palms [20] и Pocket PC также могут быть оснащены GPS-навигацией. [21] Карманный ПК отличается от специализированного навигационного устройства тем, что имеет собственную операционную систему, а также может запускать другие приложения.
.jpg/1280px-GPS_receiver_(mouse).jpg)
Для работы других GPS-устройств необходимо подключить их к компьютеру. Этим компьютером может быть домашний компьютер , ноутбук , КПК , цифровая камера или смартфон . В зависимости от типа компьютера и доступных разъемов соединения могут осуществляться через последовательный или USB- кабель, а также через Bluetooth , CompactFlash , SD , PCMCIA и более новую карту ExpressCard . [22] Некоторые GPS-устройства PCMCIA/ExpressCard также оснащены беспроводным модемом . [23]
Устройства обычно не поставляются с предустановленным программным обеспечением GPS-навигации , поэтому после покупки пользователь должен установить или написать собственное программное обеспечение. Поскольку пользователь может выбирать, какое программное обеспечение использовать, оно может лучше соответствовать его личному вкусу. Очень часто GPS-приемник на базе ПК поставляется в комплекте с навигационным программным обеспечением. Кроме того, программные модули значительно дешевле, чем полноценные 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 устройства спутниковой навигации и опубликовали их планы в открытом доступе. Примеры включают GPS-навигаторы Elektor. [24] [25] Они основаны на чипе SiRFstarIII и сопоставимы со своими коммерческими аналогами. Также доступны другие микросхемы и программные реализации. [26]
Авиаторы используют спутниковую навигацию для навигации, а также для 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 оборудование и оборудование наблюдения. В настоящее время существуют некоторые устройства GPS, которые позволяют авиаторам лучше видеть места, где спутник дополнен, чтобы иметь возможность безопасно приземлиться в условиях плохой видимости. В настоящее время созданы два новых сигнала для GPS: первый предназначен для помощи в критических условиях неба, а другой сделает GPS более надежным навигационным сервисом. Многие авиационные службы теперь сделали использование GPS обязательной услугой. [27] Приложения коммерческой авиации включают в себя устройства GNSS, которые вычисляют местоположение и передают эту информацию на большие навигационные компьютеры с несколькими входами для автопилота , отображения информации о курсе и коррекции для пилотов, а также устройств отслеживания и записи курса.
Военные приложения включают устройства, аналогичные потребительским спортивным товарам для пехотинцев (командиров и регулярных солдат), небольших транспортных средств и кораблей, а также устройства, аналогичные устройствам коммерческой авиации для самолетов и ракет. Примерами являются цифровой помощник командующего вооруженными силами США и цифровой помощник солдата . [28] [29] [30] [31] До мая 2000 года только военные имели доступ к полной точности GPS. Потребительские устройства были ограничены избирательной доступностью (SA), от которой планировалось отказаться, но которая была внезапно отменена президентом Клинтоном. [32] Дифференциальный GPS — это метод устранения ошибки SA и повышения точности GPS, который обычно используется в коммерческих приложениях, например, в гольф-карах. [33] Точность GPS ограничена примерно 15 метрами даже без SA. DGPS может находиться в пределах нескольких сантиметров. [34]
Последовательный GPS-приемник отслеживает необходимые спутники, обычно используя один или два аппаратных канала. [35] Установка будет отслеживать один спутник за раз, отмечать время измерений и объединять их, когда все четыре псевдодальности спутников будут измерены. Эти приемники являются одними из самых дешевых из доступных, но они не могут работать в условиях высокой динамики и имеют самое медленное время первого исправления (TTFF) .
GPS-карты и направления иногда бывают неточными. [ нужна цитата ] Некоторые люди заблудились, спрашивая кратчайший маршрут, как пара в Соединенных Штатах, которые искали кратчайший маршрут из Южного Орегона в Джекпот, штат Невада . [36]
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 жары и обезвоживания . [37]
В мае 2012 года японские туристы в Австралии застряли во время поездки на остров Норт-Страдброк , и их спутниковая навигация приказала им направиться в залив Мортон . [38]
В 2008 году компания Satnav направила автобус команды по софтболу в 9-футовый туннель, который срезал верхнюю часть автобуса и всю команду госпитализировал. [39]
Брэд Престон, штат Орегон, утверждает, что люди направляются к его подъездной дорожке пять-восемь раз в неделю, потому что их спутниковый навигатор показывает улицу, проходящую через его собственность. [39]
Джон и Старри Роудс, пара из Рино, штат Невада, ехали домой из Орегона, когда увидели, что в этом районе много снега, но решили продолжить путь, потому что они уже были в 30 милях по дороге. Но спутниковая навигация вывела их на невспаханную дорогу в лесу Орегона, и они застряли на 3 дня. [39]
Мэри Дэвис ехала в незнакомом месте, когда ее спутниковая навигация сказала ей повернуть направо на железнодорожные пути, когда поезд приближался. Мэри повезло, что местный полицейский заметил ситуацию и посоветовал ей как можно быстрее выйти из машины. Мэри посчастливилось выйти из машины, оставив ее на случай, если поезд врежется в нее и разобьет. Офицер отметил, что существует очень большая вероятность того, что на их руках мог быть смертельный исход. [39]
Другие опасности включают в себя переулок, указанный как улица, полосу, идентифицируемую как дорогу, [40] или железнодорожные пути как дорогу. [41]
Устаревшие карты иногда приводят к тому, что устройство ведет пользователя по непрямому маршруту, отнимающему много времени, поскольку дороги могут со временем меняться. Информация о спутниковой навигации смартфона обычно обновляется автоматически и бесплатно. Производители отдельных устройств спутниковой навигации также предлагают услуги обновления карт для своих товаров, обычно за определенную плату.
Конфиденциальность пользователя может быть поставлена под угрозу, если портативные устройства, оснащенные спутниковой навигацией, такие как мобильные телефоны, загружают данные о географическом местоположении 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 продвигать близлежащие магазины и может позволить рекламному агентству отслеживать перемещения и привычки пользователей для будущего использования. Регулирующие органы в разных странах различаются в отношении того, относятся ли данные геолокации к привилегированным или нет. Привилегированные данные не могут быть сохранены или иным образом использованы без согласия пользователя. [42]
Системы слежения за транспортными средствами позволяют работодателям отслеживать местонахождение своих сотрудников, что вызывает вопросы о нарушении конфиденциальности сотрудников. Известны случаи, когда работодатели продолжали собирать данные о географическом местоположении, когда сотрудник был не на работе в свободное время. [43]
Службы проката автомобилей могут использовать ту же технику для геозонирования своих клиентов в зонах, за которые они заплатили, взимая дополнительную плату за нарушения. [44] В 2010 году Союз гражданских свобод Нью-Йорка возбудил дело против Министерства труда за увольнение Майкла Каннингема после отслеживания его повседневной деятельности и местонахождения с помощью устройства спутниковой навигации, прикрепленного к его машине. [45] Частные детективы используют подброшенные GPS-устройства, чтобы предоставлять своим клиентам информацию о передвижениях цели.
В мае прошлого года [2007 года] Совет графства Норт-Йоркшир в Англии вывесил знаки у въезда на гравийную дорогу, объявляющую ее «непригодной для автомобилей», после того как навигационные системы направили водителей на нее как на кратчайший путь между двумя долинами.
Неровная дорога быстро становится каменистой с местами крутыми обрывами, и местным жителям приходится помогать машинам разворачиваться.