Архивы: по дате | по разделам | по авторам

Мечта капитана

Архив
автор : Александр Самойлов   05.10.2000

Вторая статья из темы "TERRA MARIQUE" номера 363 бумажной "Компьютерры"

— Сударь, — сказал капитан Немо, — вот приборы, служащие для управления «Наутилусом»… они всегда у меня перед глазами и в любой момент дают мне знать, в какой точке океана находится мой корабль, а также указывают его направление.
Жюль Верн. «Двадцать тысяч лье под водой»

Как и многие многоцелевые вещи в нашем быту, приемник системы глобального позиционирования (GPS) по мере знакомства с ним обнаруживает массу полезных свойств, даже сверх тех, для которых он был приобретен первоначально. Оказывается существует много любопытных вопросов, на который он с легкостью отвечает, — например, какую скорость вы развиваете при ходьбе, какое расстояние вы преодолеваете при занятии бегом и с какой максимальной и средней скоростью, какую скорость вы развили, спускаясь с горы на лыжах, насколько точен спидометр вашего автомобиля и т. д. Однако основное его назначение — определение координат. И автор этих строк приобрел такой прибор, в первую очередь, для навигации на яхте. Предполагалось также использовать его в машине и турпоходах, поэтому была выбрана носимая модель GPS-12XL (фото 1) американской фирмы Garmin [1]. Этот прибор уже нельзя считать новым, однако по своим эксплуатационным показателям, в том числе и недокументированным, но важным для пользователя: быстроте пуска и надежности держания спутниковых сигналов, GPS-12XL был одной из самой продаваемых моделей в мире и породил целое семейство модификаций.

Он имеет надежный герметичный корпус, заполненный азотом (испытывается на попадание в воду на глубину до метра), графический дисплей с четырьмя степенями яркости подсветки, звуковой сигнал. Работает до двадцати часов от четырех пальчиковых батареек. На задней стенке прибора находятся разъем для дополнительной выносной антенны и четырехштырьковый разъем для подключения внешнего питания (встроенный стабилизатор «переваривает» напряжение от 10 до 40 вольт), цифровой вход для дифференциальной поправки и для обмена данными с компьютером или другими навигационными приборами.

как он работает

Общение приемника с пользователем организовано по принципу выбираемых экранов — страниц с различными наборами информации. Включив прибор нажатием на кнопку «подсветка», после непродолжительной приветственной заставки вы увидите на дисплее картинку, отображающую его состояние (фото 2а), — это страница статуса. В ее центре — схема расположения спутников в небе над приемником с их номерами. Столбчатая диаграмма под схемой показывает уровень сигнала от каждого спутника, столбец слева — уровень заряда батарей. Вверху — ожидаемая погрешность позиции (EPE) в футах или метрах и режимы работы приемника: 3D Nav — трехмерная навигация (приемник определяет и широту и долготу и высоту) или 2D Nav, при котором высота не определяется. Режим «Acquiring» означает, что приемник еще не собрал достаточно информации, чтобы определять позицию после включения или потери сигнала по какой-то причине. Стандартный GPS-приемник готов к работе примерно через 25–35 секунд после включения. Большее время требуется при первом включении или если приемник не включался несколько месяцев (при этом устаревают сведения о расположении спутников или «данные альманаха»), либо если приемник последний раз включался в регионе, удаленном более чем на 700 километров от места текущей позиции. В этом случае приемнику нужен полный набор данных со спутников. Такой режим включения называется «Холодный старт». В ряде случаев для ускорения процесса пользователю предлагается ввести ориентировочное местоположение или выбрать регион из списка.

В режиме «Simulator» приемник не принимает спутники и не определяет позицию, но все его вычислительные функции работают. Этот режим используется как демонстрационный, — в учебных целях или для работы с данными из памяти.

Как только местоположение определено, приемник автоматически переходит на следующую страницу «Позиция» (фото 2б), на которой отражены: текущая долгота и широта, высота над уровнем моря, скорость и направление движения (курс) в градусах, а в верхней части дисплея в графическом виде шкалы компаса. Точность определения времени — 50–100 наносекунд. Время Гринвичское (GMT) или UTC (universal time coordinated) с возможностью ввода поправки на местный часовой пояс. Поля Trip и Alt (счетчик пройденного расстояния и высота) являются выбираемыми пользователем — на их месте можно отобразить среднюю или максимальную скорость, время в пути, секундомер.


1 (обратно к тексту) - Если приемник покупается только «для моря», то можно однозначно рекомендовать стационарные модели. Удобство установки, большой дисплей, более подходящий набор функций вполне оправдывают не столь уж большую разницу в цене. Особенно если учесть, что к носимому приемнику адаптер для внешнего питания, монтажный кронштейн, а при необходимости и внешнюю антенну придется покупать за отдельные деньги.

Функции приемника позволяют также брать с карты координаты любой точки, например цели путешествия, и ввести ее в память при помощи страницы waypoint (фото 2в). GPS-12XL может хранить в энергонезависимой памяти до пятисот таких точек позиции, называемых путевыми.

Очень важным на практике является режим «Go To», то есть движение к выбранной путевой точке. Допустим, отправляясь из пункта А в пункт Home, вы выбираете точку Home из списка имеющихся в памяти приемника (фото 2г, д). Цифры в верхней части страницы соответственно означают направление на цель (азимут или, по-морскому, пеленг), направление движения, дистанцию до цели и скорость. В середине дисплея — символическое изображение автомагистрали, наклон которой наглядно показывает, насколько и в какую сторону вы отклонились от заданного курса. Все, что требуется от рулевого (водителя, пилота, путешественника), это совмещать курс транспортного средства с заданным на навигационной странице (чтобы изображение магистрали не отклонялось ни в какую сторону), и приемник приведет к цели по кратчайшему пути, где бы вы ни находились. Об отклонении от курса сверх заданных пределов и о приближении к точке назначения предупредит звуковой сигнал. Шкала внизу дисплея показывает в масштабе, на какое расстояние вы сместились от первоначальной прямой линии к цели. Это очень полезно если, например, надо пройти в тумане фарватером ограниченной ширины. И, наконец, цифровое поле внизу экрана по вашему выбору отображает: эффективную или полезную скорость, то есть проекцию скорости на направление на путевую точку, время в пути, расчетное время прибытия в заданную точку, исходя из текущего значения эффективной скорости, отклонение от первоначального маршрута и т. д. Частным случаем режима «Go To» является режим «Человек за бортом» (Man Over Board — MOB), легко и быстро вызываемый сочетанием клавиш (у стационарных приемников есть отдельная кнопка MOB»). В этом режиме приемник сохраняет в памяти точку, где произошло происшествие, и тут же переходит в режим указания направления для возврата к ней.

«Нажав на кнопку «Mark», вы сохраняете текущие координаты как путевую точку. Функция очень удобная, — ведь даже не имея под рукой карты с координатной привязкой, можно найти дорогу к дому, вернуться после прогулки по лесу к оставленной на шоссе машине и т. д. Автор, отправившись как-то темной туманной южной ночью искать бар в незнакомом городке, положил в карман GPS и, выходя из гостиницы, включил приемник, загнав в память координаты исходной точки. На обратном пути приемник помог быстро вернуться без лишних блужданий и расспросов местных жителей. Еще один классический пример: фиксация места постановки рыбацких сетей под водой, позволяющая рыбакам находить свои сети без каких-либо вешек и буйков, выдающих местоположение сетей возможным похитителям. Кстати, метод активно взятый на вооружение браконьерами.

Если вам нужно проследовать по сложному маршруту, посетив несколько точек, по ломаной, а не по прямой линии (например, при плавании по извилистому фарватеру), то необязательно каждый раз задавать «Go To» на следующую точку.
Достаточно с помощью специального меню «Маршруты» («Routes») внести в память точки ломаной линии, и приемник автоматически будет переключатся на следующий по ходу отрезок пути. GPS-12XL позволяет хранить до двадцати маршрутов с числом точек (этапов) до тридцати в каждом. Как и путевые точки, маршруты можно создавать, редактировать, переименовывать, удалять.

Казалось бы, эти функции нужны только на открытой пустынной местности — при движении на судне по морю, на самолете, или в открытой пустыне, в то время как автомобиль, едущий по дороге, или байдарка на реке, в любом случае не смогут отклониться от курса. Однако автору понравилось брать GPS-приемник с собой и в автомобильные поездки. Введя в память взятые из атласа координаты основных населенных пунктов, развилок, бензоколонок по пути, вы наглядно видите свое положение на маршруте, сколько осталось времени и какое расстояние до очередных пунктов, насколько вы укладываетесь в график движения, рассчитываете расход горючего и его остаток до очередной заправки. Наконец, случайное отклонение от маршрута (свернул не на ту дорогу и т. п.) мгновенно обнаружится.

Функция Track Log или, в приемниках ряда фирм, Autologging. Это функция своего рода «черного ящика», который постоянно, с заданной периодичностью, записывает координаты точек вашего местонахождения. Пройденный путь можно просмотреть на графической странице «Track» («Движущаяся карта», или «Плоттер», см. фото 2е). Крестик в середине экрана — ваше текущее положение. На этой странице также отображаются путевые точки, при большом числе точек вы наглядно видите свое движение как на движущейся карте, которую можно в широких пределах масштабировать. Эта функция как нить Ариадны дает возможность путешественнику вернуться обратно по ранее пройденному пути. У GPS-12XL такой режим называется Track Back. Емкость памяти для записи пройденного пути — 1024 точки.

Кроме основных страниц, приемник имеет много различных меню. Настраиваются и контрастность дисплея, и режим работы подсветки, и единицы измерения (километры, морские мили, американские мили), истинный или магнитный курс, форматы данных и различные координатные системы, в которых определяются координаты. Важно, что карты в разных странах строятся исходя из разных моделей земного эллипсоида. GPS-12XL работает в 107 моделях плюс одна пользовательская. К сожалению, российская система координат (Пулковская обсерватория 1942 г., референц-эллипсоид Красовского) в это число не входит. Для задач, требующих точности, приходится либо использовать международную WGS-84, установленную по умолчанию, и вносить поправку, либо создавать свою, пользовательскую.

 

Взаимодействие с другими приборами

Важная особенность GPS-приемника — возможность подключения к другим электронным приборам. GPS-12XL предлагает три варианта подключения к внешним устройствам: прием дифференциальной поправки (формат RTCM-104), выдача информации в реальном времени в формате NMEA-0183 и загрузка-выгрузка содержимого памяти приемника — путевых точек, маршрутов, пройденного пути и т. д. на другой приемник или на персональный компьютер в собственном формате Garmin.

Дифференциальная поправка — это сигнал со специальной стационарной станции, позволяющий повысить точность GPS в ограниченном районе до 10–15 метров, в ряде случаев до 1-3 метров. (Обычная точность GPS — 20–30 метров 95–98% времени.) Системы станций DGPS, передающих дифференциальные поправки, развернуты во многих районах Земли и предоставляют как бесплатный, так и платный сервис. В ряде случаев стоимость подписки на услуги дифференциальной коррекции зависит от заказываемого уровня точности. Кроме систем общего пользования часто используются локальные и корпоративные системы, например геодезическая фирма устанавливает радиомодем или сотовый модем, передающий дифференциальную поправку для топографической съемки нужной территории.

Выходной формат данных GPS NMEA-0183 (National Marine Engineering Association) по параметрам сигнала примерно соответствует стандарту RS-232, что позволяет подключать навигационные приборы прямо к компьютеру. Задействованы три провода — Data In, Data Out и «масса». Формат передачи данных асинхронный, 8 бит, стоповый бит, четность не проверяется, скорость обмена 4800 бод. Информация передается «в одну сторону», то есть одно из устройств, соединенных по протоколу NMEA, является «говорящим», а другое — «слушателем». Приемник GPS в режиме NMEA постоянно выдает в текстовом (ASCII) виде набор сообщений о позиции, курсе, скорости, времени, статусе спутников, направлении и расстоянии до активной путевой точки, наличии/отсутствии дифференциальной поправки и т. д. Несмотря на «морское» происхождение, с развитием GPS стандарт NMEA прижился и в авиации. К недостаткам стандарта NMEA-0183 можно отнести невозможность присоединения более чем одного устройства к одному порту. Вскоре ожидается выход нового стандарта NMEA-2000 (www.nmea.org), а пока большинство навигационных приборов поддерживают как единый стандарт NMEA-0183, так и свои фирменные протоколы для соединения приборов одной фирмы и для специальных действий — тестирование, апгрейд внутреннего программного обеспечения приемников, загрузка карт, работа с данными в памяти приемника.



Среди разных координатных систем большинство приемников поддерживает прямоугольные координаты, так называемую систему UTM (Universal Transverse Mercator). Не вдаваясь в технические подробности, можно сказать, что координаты точки в UTM определяются в метрах к востоку и северу относительно прямоугольной сетки квадратов. При помощи этой системы можно легко и быстро составить карту незнакомой местности. Достаточно сохранить UTM-координаты интересующих объектов и нанести их на лист миллиметровки, не занимаясь громоздкими пересчетами из долготы-широты в линейные расстояния. Можно поручить эту работу компьютеру, загрузив данные из GPS-приемника по кабелю и воспользовавшись одной из геодезических программ или любым построителем графиков, хотя бы MS Excel.

вместе с компьютером

Путевые точки, маршруты и записи пройденного пути можно редактировать, сохранять, распечатывать на PC с помощью специальных программ. Этот софт предлагается как самими производителями приемников, так и независимыми разработчиками. Среди программ, бесплатно распространяемых через Интернет, очень популярна Waypoint+ (www.tapr.org/~kh2z/Waypoint). Очень интересно, вернувшись, например, из турпохода, распечатать в произвольном масштабе карту пройденного пути. Или, скажем, путь, пройденный яхтой в парусной гонке, — для разбора и анализа своих действий. Среди прочих функций эта программа по команде пользователя синхронизирует системное время компьютера по GPS.

Вообще, компьютерных программ для GPS — великое множество. Это и такие редакторы путевых точек и маршрутов, как Waypoint+ или GPS-communicator, планировщики поездок, как Microsoft Trip Planner, морские навигационные программы, программы для обмера земельных участков, геодезии и строительства, электронные карты различного назначения, геоинформационные системы (ГИС), в том числе автомобильные, с голосовым интерфейсом, подсказывающие водителю, куда ему свернуть на следующем перекрестке, всевозможные навигационные тренажеры. Можно сказать, что развитие GPS открыло целые отрасли в индустрии программного обеспечения, более подробный рассказ о котором, к сожалению, выходит за рамки статьи.

Ряд фирм выпускает приемники, которые работают только с компьютером, например американская DeLorme. Ее GPS-приемники Earthmate (фото 3) и Tripmate «сухопутного» назначения, собранные с антенной в герметичном обтекаемом корпусе, формой и размерами напоминают компьютерную мышь. Сходство дополняет разъем RS-232 на конце провода. Приемники такого типа за рубежом называются черными ящиками (Black Box). У них нет ни дисплея, ни кнопок — дисплеем становится ПК, ноутбук или наладонник со специальным программным обеспечением, входящим в комплект поставки. Приемник легко крепится на крыше автомобиля на магнитной «присоске». Питание — от прикуривателя или батареи ноутбука. Такое решение значительно снижает стоимость прибора. Приемник продается в любом американском компьютерном магазине в комплекте с дорожным атласом DeLorme на CD [2].

Таковы в общих чертах основные функции большинства GPS-приемников.

навороченные разновидности

Как и в любом классе продуктов, среди массы GPS-приемников встречаются и более «навороченные» экземпляры. Во-первых, это приемники со встроенными электронными картами. В простейшем случае приемник поставляется с дополнительной памятью, в которой размещена база данных путевых точек: основные населенные пункты, дорожные развязки, порты, гавани, аэропорты. Такие приемники выпускаются в версиях с дополнительными базами данных для различных регионов (Европа, Азия, Северная Америка). В других регионах такой приемник, разумеется, выполняет все свои обычные функции. В 1998 году фирма Garmin представила GPS III Street Pilot с прошитой дорожной картой США. Приемник предназначен, в первую очередь, для автомобилистов. На его дисплее вы не только видите свои координаты, но и текущее положение и пройденный путь на электронной карте местности. Уровень детализации: приемник показывает основные магистральные дороги, реки, озера, мосты, главные улицы крупных городов, справочную карту мира. С дополнительным картриджем MetroGuide вы получаете доступ к подробным (со всеми улицами) картам городов, алфавитному списку объектов с поиском по адресу, информации о гостиницах, магазинах, АЗС. Выпускаются также версии для Европы и других регионов. Начиная с модели GPS III Plus встроенная карта становится User-Uploadable, то есть загружаемой по выбору пользователя. Другие изготовители, в частности Magellan, также развивают это направление.


2 (обратно к тексту) - О GPS-приемниках, работающих совместно с карманными компьютерами, более подробно мы рассказывали в публикации «Пути-дороги, или Quo vadis…» («КТ» #353, с. 29). — В.И.

Для морских приложений выпускаются GPS с электронными картами на внешних носителях (или видеоплоттеры). Плоттер в навигации это не то же самое, что прибор, известный компьютерщикам. Это устройство (в отечественной литературе называемое одографом) предназначено для прочерчивания пройденного судном пути по сигналам от компаса и лага (датчика скорости и пройденного расстояния). На фото 4 показан современный судовой видеоплоттер Raychart-611T фирмы Raytheon с 14-дюймовым цветным VGA-монитором. На судне в плавании как правило требуется иметь подробные карты на большую территорию, нежели позволяет хранить внутреннее ПЗУ приемника. Поэтому видеоплоттер работает с векторными картами на сменных картриджах стандарта C-MAP NT. При подключении внешнего GPS-приемника на карте в реальном времени отображается текущее положение судна, пройденный путь, маршрут и путевые точки. Цифровая навигационная информация может выводиться на отдельных страницах или одновременно с картой в виде всплывающих окон. Ввод точек и задание маршрута теперь сводится к отметке курсором нужных точек на масштабируемой электронной карте. Вместо монитора в этой системе может использоваться дисплей радара фирмы Raytheon. Это позволяет не только экономить на габаритах, энергопотреблении и цене при покупке, но и решать совершенно новые задачи. Совмещая радарную картинку с картой, судоводитель наглядно видит точное местоположение других судов и их перемещение для оперативного принятия решений по маневрированию в самых сложных ситуациях. Стоимость картриджа за рубежом составляет 100–300 долларов, что примерно соответствует стоимости комплекта бумажных карт для равной по площади акватории.

Все плоттеры имеют процессор небольшой мощности и предназначены для решения только навигационных задач. Другой подход к созданию электронных картографических систем заключается в использовании обычных IBM-совместимых компьютеров с соответствующим программным обеспечением. На фото 5 показано главное окно морской программы Dkart Explorer под Windows. Программа работает с векторными картами и выполняет все вышеперечисленные функции плюс ряд дополнительных. Есть версии программы, позволяющие автоматизировать еще одну важную задачу штурманской службы: периодическую корректуру бортовой коллекции карт и лоций, то есть обновление информации в зависимости от изменений условий плавания. Данные для корректуры передаются фирмами-изготовителями карт прямо на суда по каналам мобильной телефонии, спутниковой связи «Инмарсат», электронной почте. «Умные» системы с векторными картами не просто воспроизводят карту на дисплее, но и, работая с базой данных объектов, «понимают» отметки глубины, местоположение мелей и навигационных опасностей и предупреждают судоводителя об опасном курсе судна. На базе таких систем созданы профессиональные системы обработки и отображения на едином центральном дисплее информации электронных карт, радара, GPS и других навигационных приборов (эхолотов, лагов, компасов и т. д.). Они создают совершенно новый уровень возможностей для автоматизации судовождения и повышения безопасности плавания, позволяя отслеживать в реальном времени на карте движение своего и других судов, моделировать опасные ситуации и оперативно на них реагировать.

Конечно, подобные системы существуют не только на море, но и на суше, — приемники, встраиваемые в бортовые информационные системы автомобиля, самолета, поезда и других транспортных средств, становятся настолько частым явлением, что люди уже перестают это замечать, пока, правда, только на Западе, у нас в России — своя специфика.

© ООО "Компьютерра-Онлайн", 1997-2022
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на "Компьютерру" обязательна.