Системы навигации

Навигационные системы (глобальная позиционирующая сис­тема или GPS — Global Positioning System) находят все более широкое применение во всем мире.

Главными задачами система навигации являются:

— определение нахождения автомобиля в текущий момент;

— ввод пункта назначения с определением оптимального маршрута.

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. 18.15).

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. Ис­комый объект находится на поверхности сферы, описан­ной вокруг точки местополо­жения сателлита и имеющей радиус, равный расстоянию до объекта (рис. 18.16, а). Для определе­ния местоположения контакта с одним спутником недоста­точно. Пересечение сфер от двух спутников (рис. 18.16, б) дает окруж­ность — задача из трехмерной превратилась в двухмерную. Теперь известно, что прием­ник находится где-то на полу­ченной окружности. Сфера, очерченная вокруг третьего видимого спутника (рис. 18.16, в), пере­секает окружность в двух точ­ках, одна из которых является паразитной, так как находится либо в недрах земного шара, либо в верхних слоях атмосферы.

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.

Следует отметить, 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.

Навигационная 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 угла поворота.

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.

Несмотря на то, что глобальная система навигация является основным источником информации для навигации, в случае получения сигнала с помехами навигационная система корректирует значения с помощью собственной системы вычисления местоположения, которая включает датчик угла поворота автомобиля, датчик частоты вращения колеса системы ABS, компакт-диск или другой носитель информации, блок управления навигационной системы.

Блок управления системой навигации вычисляет маршрут при помощи сигналов, получаемых от датчика угла поворота (по этим сигналам определяются изменения в направлении движения (вправо/влево)) и сигналов датчика частоты вращения колеса системы ABS (определяется пройденное расстояние).

Блок несколько раз в секунду сравнивает маршрут с дорожной картой, хранящейся на носителе информации. Этот процесс сравнения называется «сопоставление с картой». Точность определения места нахождения автомобиля с использованием собственной системы месторасположения увеличивается до 5 м в городе и до 50 метров на длинных прямых дорогах в сельской местности и шоссе. Если автомобиль находится на дороге, информация о которой отсутствует на компакт-диске, на дисплее отображается сообщение, что сопоставление с картой выполнить невозможно.

Работа системы навигации автомобиля происходит в такой последовательности.

1. Водитель вводит данные о пункте назначения при помощи кнопок управления и функциональных кнопок.

2. Местоположение пункта назначения определяется с помощью карты автодорог, записанной на носителе информации.

3. Блок управления системы навигации использует получаемые со спутников данные и вычисляет текущее местоположение автомобиля.

4. С помощью собственной системы вычисления пути местоположение автомобиля определяется с точностью до ± 5 м при сопоставлении с картой, хранящейся на носителе информации.

5. Блок управления системой навигации вычисляет расстояние, направление движения и контролирует изменения в направлении движения автомобиля.

6. Затем система выдает рекомендации по прохождению маршрута в виде звуковых и визуальных сообщений.

7. Во время поездки пройденное расстояние измеряется на основе данных, полученных от датчика частоты вращения колес системы ABS, а изменение направления определяется датчиком угла поворота рулевого колеса.

8. Система следит за тем, использует ли водитель предложенные варианты прохождения маршрута.

9. При отклонении автомобиля от предложенного маршрута система сообщает об этом водителю.

10. Если водитель не меняет маршрут на рекомендованный, система снова вычисляет расстояние до пункта назначения.

11. По достижении требуемого пункта назначения воспроизводится сообщение «Пункт назначения достигнут».

Датчик измерения пройденного пути — представляет собой электронный спидометр или датчик частоты вращения колеса ABS, информация от которых поступает в блок управления.

Датчик угла поворота фиксирует изменения в направлении движения влево и вправо. При изменении направления движения автомобиль поворачивается вокруг вертикальной оси. Датчик определяет это вращение и передает соответствующую информацию на блок управления системы навигации. Блок управления системой навигации вычисляет угол, на который изменилось направление движения автомобиля.

Датчик угла поворота имеет форму камертона (рис. 18.17). Две его ножки 5 являются деталями, совершающими колебания.

При включении зажигания на нижние пьезоэлементы 2 подается напряжение. Они начинают вибрировать. Эти вибрации передаются на обе ножки.

При изменении направления движения автомобилем (например, на повороте), на ножки датчика воздействует так называемая сила Кориолиса (рис. 18.17, б) в течение времени, требующегося автомобилю для прохождения поворота. В верхних пьезоэлементах 1 датчика угла поворота генерируется напряжение. Величина напряжения зависит от изменения направления движения. При повороте слева направо, например, знак величины напряжения меняется на противоположный. Под воздействием этой силы верхние части ножек, которые уже совершают боковые колебания, сгибаются. Изгиб ножек передается на верхние пьезоэлементы, генерируя в них напряжение. Блок управления системы навигации вычисляет изменение направления движения по величине данного напряжения.

Во время движения автомобиля по прямой линии (рис. 18.17, а) сила Кориолиса на ножки датчика не действует. Верхние части ножек не изгибаются и напряжение в верхних пьезоэлементах не генерируется.

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.

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 (рис. 18.18). 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.

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. 18.19).

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.

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 (рис. 18.20). В случае необходимости имеется возможность найти ближайший отель, ресторан, заправку, СТО, место парковки и т.д.

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.

На экран может выводится трёхмерное изображение местности (рис. 18.21): (изображение с высоты птичьего полёта) с топографической окраской (как на обычных картах местности). Городская застройка отображается как множество трёхмерных зданий. При этом важные сооружения отображаются более подробно и с высокой точностью.

При выборе маршрута предлагается 3 варианта – короткий, быстрый, экономичный (рис. 18.22). Кроме этого, указывается где находятся платные дороги и особенности движения по каждому маршруту.

Короткий путь (рис. 18.22, а). В этом режиме маршрут между начальным и конечным пунктом составляется по возможности из более коротких участков.

Быстрый путь (рис., 18.22, б). При выборе этого режима прокладывания маршрута навигационная система учитывает класс дороги (магистраль, дорога федерального, земельного или окружного значения), ограничения скорости для этих классов дорог, а также статистически ожидаемую среднюю скорость движения. На основе этих данных проводится сопоставление времени прохождения при анализе вариантов пути. Это значит, что наиболее быстрый маршрут может быть проложен в объезд затруднений на дороге.

Экономичный путь (рис. 18.22, в). При выборе этого режима прокладывание маршрута производится в соответствии со смешанным расчётом, исходя из оценки времени движения и оценки длин отрезков пути. В расчёте маршрута оценка длин отрезков пути имеет весовую долю 30%, а оценка времени движения имеет весовую долю 70%.

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.

Подобная функции применяются и в системе Audi telematics. Система информирует водителя о текущей дорожной ситуации на том участке, по которому он в настоящий момент проезжает, обеспечивая наиболее быстрое и удобное продвижение к конечной точке маршрута по-другому более удобному маршруту. Система помогает в максимально быстром оказании помощи в чрезвычайных ситуациях. Например, в случае аварии при раскрытии подушки безопасности, но с водителем не удается связаться по телефону, центральный диспетчерский пункт самостоятельно информирует полицию и службу спасения. Кроме этого, система Audi telematics по запросам водителя указывает ему на такие неблагоприятные обстоятельства, как гололед и туман, а также на потенциально опасных участников дорожного движения. Если в автомобиле возникла неисправность, водитель связывается с центром технической поддержки и его информируют о ближайшем дилерском предприятии Audi, а необходимости направляет к водителю автомобиль техпомощи.

Радионавигационная система MFD (многофункциональный дисплей) с динамическим оптимизированием маршрута. Основой используемых сведений по условиям движения является служба RDS-TMC (система радиоданных — канал дорожных сообщений) которая включает в себя сеть передатчиков (пока лишь на территории Западной Европы). Для навигации автомобиля на нем установлены GPS-приемник и сенсор направления. С помощью выбранных данных и цифровой карты определяется и выводится на дисплей положение автомобиля.

Под наблюдением находятся все дорожные сообщения в радиусе примерно 200 км. Препятствия нормальному движению (заторы, пробки и существенное замедление транспортного потока) показываются на карте дисплея и выводятся в виде текстовых сообщений. Водителю при этом предлагается альтернативный маршрут.