admin / 13.03.2019

Как работает навигатор?

Навигатор представляет собой мини-компьютер и состоит из следующих частей:

  • сенсорный дисплей;
  • корпус;
  • аккумулятор;
  • плата;
  • GPS приемник;
  • процессор;
  • память (оперативная, память BIOS и память данных);
  • разъемы и дополнительные элементы.

Как не трудно догадаться, стоимость навигатора напрямую зависит от его характеристик, которые обеспечиваются следующими факторами:

  • качеством и определенными свойствами составных частей;
  • объемом памяти;
  • частотой процессора и дополнительными функциями.

В качестве дополнительных функций могут выступать такие модули:

  • GPRS модуль;
  • bluetooth модуль;
  • радиоприемник;
  • микрофон.

Практически все навигаторы на данный момент выпускаются со встроенными динамиками, чтобы озвучивать ситуацию на дороге, а также с разъемами для внешнего питания, наушников и карт памяти.

Для справки! Также у определенных навигаторов могут отсутствовать некоторые части. Например, если навигатор встроен в сам автомобиль, то у него не будет собственного корпуса и аккумулятора.

Каждый навигатор имеет определенное программное обеспечение и встроенные карты. И то, и другое требует периодического обновления для корректной работы системы. Для корректной работы не рекомендуется «прошивать» навигатор программным обеспечением, которое для него не рассчитано.

Даже для далекого от электроники человека не будет новостью то, что для работы такой сложной системы, как навигационное устройство, недостаточно самого навигатора и должно быть что-то еще. И этим «что-то» являются GPS спутники, без которых функционирование навигатора не представляется возможным.

Начиная с 1994 года около двух десятков GPS спутников находятся на орбите Земли на высоте ~21 000 м. Они не являются стационарными и двигаются с запада на восток со скоростью около 12000 км/ч, и проходят по земной орбите через одно и то же место два раза в день. Каждый спутник непрерывно передает различные сигналы о своем местоположении и техническом состоянии. Принцип работы устройства следующий:

  1. Приемник GPS фиксирует время прибытия сигнала спутника и время передачи сигнала от спутника до приемника.
  2. Учитывая скорость света как известную величину, и точку, откуда был отправлен сигнал, приемник вычисляет место, где находится на земле принимающее устройство.
  3. В зависимости от того, как устройство перемещается вдоль шоссе, спутник вычисляет скорость. Она, как правило, на несколько километров в час меньше той скорости, что показывает спидометр автомобиля.
  4. Затем данные обрабатываются в самом навигаторе и отображаются на экране.
  5. Спутниковый сигнал задерживается, проходя через ионосферу и атмосферу земли, в результате чего в расчетных системах GPS применяется поправочные коэффициенты.

Чтобы вычислить точное положение принимающего устройства, необходимо три или более сигнала GPS. Если приемник принимает больше спутников, качество определения местоположения улучшается.

Нюанс! В случае наличия помех сигналов со спутника применяются дополнительные поправочные коэффициенты при расчетах.

Навигатор и интернет

На заре смартфонов такие поисковые системы как «Яндекс» и «Google» выпустили собственные навигаторы, которые действительно работали от сигналов мобильной сети. Точность такого сигнала напрямую зависела от расстояния до ближайшей сотовой вышки, что делало их абсолютно бесполезным за городом, где связь попросту «не ловит».

Еще довольно долгим являлся процесс «подргузки» карты в режиме онлайн. О погрешностях в несколько сотен метров даже и говорить не стоит. Однако впоследствии разработчики подобных навигаторов и смартфонов поняли свою ошибку и сейчас практически каждый подобный «девайс» может работать через следующие спутники:

  • GPS;
  • «ГЛОНАСС».

Для большинства устройств достаточно загрузить карту местности и использовать навигационную систему через спутники, без интернета, что еще раз подтверждает ответ на вопрос: как работает автомобильный навигатор, и нужен ли интернет.

С развитием «интернет вещей» сейчас многие навигаторы, да и автомобили имеют возможность выхода в интернет, что, безусловно, увеличивает их функционал. Совместное использование интернета и сигналов от спутников позволяют значительно увеличить точность геопозиционирования и предоставляет более полный отчет о ситуации на дороге. Развитие техники не стоит на месте и, в скором времени будут доступны более продвинутые технические средства в области геопозиционирования и навигации.

«GPS-навигатор» и «GPS-приемник» — структура устройства

Часто встречаются два названия «GPS-навигатор» и «GPS-приемник» . В чем разница этих двух понятий? Обычно под навигатором понимается более сложное устройство, обладающее качественным экраном и обилием навигационных функций, тогда как приемник может только вычислять координаты и передавать их посредством связи.

GPS-приемник

Для определения месторасположения объекта и направления его движения используется система спутниковой навигации. Наибольшее распространение получила американская система NAVSTAR, она позволяет определить месторасположение с точностью 35 м. Для того, чтобы ее использовать, необходимо приобрести GPS-приемник, который обрабатывает сигналы со спутников и тем самым вычисляет координаты. Средством обработки и отображения принятой GPS-приемником информации будет являться компьютер. Точнее сказать, программное обеспечение с картой местности, установленное на нем. Приемники сигнала GPS подразделяются на мультиплексные и параллельные.

Как известно, приемник необходим для приема сигналов со спутников. При этом мультиплексный приемник имеет только один канал. В каждый момент времени он принимает сигналы только от одного спутника, и для засечки координат ему приходится последовательно переключаться между спутниками. Малейшее отклонение сигнала за счет встречи с препятствием приводит к тому, что приемник теряет данный спутник, и все операции ему приходиться повторять снова. Такие приемники качественно работают только на больших открытых пространствах и уже практически не используются. Дальнейшее развитие технологий в области электроники привело к созданию параллельного приемника. Он имеет несколько независимых каналов (обычно – 8 или 12), с помощью которых может одновременно принимать информацию от нескольких спутников, обеспечивая возможность выбора наиболее подходящих для работы спутников, повышая точность измерений и лучше «держа» их. Для использования GPS в городе, в горах, в больших лесных массивах наиболее подходящими являются именно параллельные приемники. Для выполнения высокоточных работ с использованием фазовых измерений необходимо иметь, по крайней мере, 4-х или 8-и канальный GPS-приемник.

Особое внимание следует обратить на то, каким чипом комплектуется GPS-устройство, так как от алгоритма вычисления координат в большой степени зависит качество работы прибора. Одним из свидетельств хорошего чипа является наличие большого количества каналов, что позволяет принимать информацию одновременно с нескольких спутников. На данный момент большинство хороших приемников имеют 12 каналов, однако есть устройства и с 20 каналами приема. От мощности встроенного процессора зависит скорость прокрутки и масштабирования карты, если это GPS-навигатор. Следующим элементом, влияющим на точность измерений, является антенна.

GPS-устройства могут комплектоваться двумя видами антенн: внешней и внутренней. Внешняя антенна представляет собой спиральную катушку в пластиковом корпусе (тип «четырехзаходная спираль») и вынесена из корпуса приемника. Эта антенна лучше приспособлена для приема сигналов от спутников, находящихся у горизонта, несколько хуже принимает сигналы от спутников, находящихся сверху. Обычно такая антенна бывает съемной, и вместо нее можно подключить выносную антенну, расположив ее на крыше автомобиля для обеспечения более качественного приема. Далеко не у всех приемников есть такая опция. Для использования в автомобиле это особенно важно, так как металл гасит радиоволны, и внутри машины работа устройства затруднена. Кроме того, при всех равных условиях навигатор с выносной антенной (выступающей за корпус прибора) работает качественнее своего собрата со встроенной в корпус антенной.

Внутренняя антенна (патч-антенна) встроена в корпус приемника и предназначена для приема сигналов спутников, расположенных сверху, и хуже принимает сигналы от находящихся у горизонта. Как нам известно, компьютер GPS-устройства выбирает спутники, находящиеся под наибольшим углом к горизонту, то есть сверху, поэтому плоская патч-антенна обеспечивает достаточное качество приема сигналов от спутников.Немаловажным элементом GPS приемников является система питания.

Большинство GPS-устройств работают от батарей (аккумуляторов), именно это и обеспечивает их компактность. При покупке навигатора необходимо обратить особое внимание на продолжительность работы навигатора от батарей, их тип и количество. Очень важной является возможность подключения GPS-устройств к внешним источникам питания. В частности, в автомобилях, GPS-устройства подключаются к бортовой сети автомобиля (обычно навигатор подсоединяется через прикуриватель). Авиационные, морские, находящиеся на панели приборов, также подключаются к внешним источникам питания. Как правило, для защиты от ударов, влаги, а также других воздействий окружающей среды, GPS-приемник помещают в плотные и герметичные корпуса, защищающие его.

GPS-навигаторы

Если говорить о GPS-навигаторах, то они, как правило, в отличие от GPS-приемников, всю информацию, получаемую от спутников, а также генерируемую собственным компьютером, отображают на дисплее. Дисплей GPS-навигатора представляет собой матрицу, имеющую два (черный и белый) или четыре цвета (градации серого). Сейчас стали появляться также и цветные дисплеи. На них гораздо лучше читаются карты, но они имеют еще и важные недостатки: они не только дороги, но и потребляют гораздо больше электроэнергии, батарейки у таких навигаторов садятся значительно быстрее.Собственная память навигатора невелика и не позволяет хранить большое количество информации. Особое внимание при выборе навигатора следует обратить на то, является ли память энергонезависимой, и не потеряется ли вся информация при простой замене батареек. Для увеличения объема памяти в некоторых моделях навигаторов используются флеш-карты.

Перед покупкой GPS-навигатора необходимо определиться, какой вид карт подходит Вам больше всего, и убедится, что выбранный приемник поддерживает эти карты. Многие GPS приемники уже содержат общую карту мира (базовая карта), но на ней отображены только крупные города, дороги и участки воды. Некоторые навигаторы могут хранить в памяти более качественные карты или позволяют загружать требуемые карты. Некоторые навигаторы позволяют использовать специальные картриджи (флеш-карты), с более детальными картами районов. Некоторые GPS приемники позволяют загружать себе в память векторные карты с компьютера. В памяти навигатора можно сохранять некоторое количество (500 и более) путевых точек, на ходу или задавая их координаты по карте, и составлять из них маршруты. При этом GPS-навигатор сможет провести пользователя вдоль этого маршрута от точки к точке. Также можно спланировать маршруты по бумажной карте, сохранить всю информацию в навигаторе и ходить на местности по составленному маршруту. GPS-навигаторы с такой функцией могут записывать трек (путь), по которому движется пользователь. Эта функция необходима, если пользователь заблудился или хочет сохранить пройденный трек, чтобы пройти его еще раз. Также по треку можно определить, на сколько далеко пользователь прошел по маршруту.

Одним из путей увидеть свое положение на детальной карте местности является подключение навигатора к компьютеру (настольному, портативному или КПК). Разъем данных позволяет сопрягать GPS с большим количеством программного обеспечения. В связи с ограниченностью памяти приемника эта функция может быть очень полезна, т.к. позволяет сохранить на ПК практически неограниченный объем данных (точки, треки, маршруты).

Некоторые GPS-навигаторы могут отображать время восхода/захода Солнца в любой заданной точке. Это позволяет планировать маршрут так, чтобы не передвигаться в темноте. Полезно для скалолазов, моряков, пилотов и т.п.

Большинство GPS-навигаторов могут показывать скорость движения. Это полезно знать для расчета продолжительности пути при текущей скорости. Приемники, имеющие спидометр, могут выдать вам такие параметры как ETA (Estimated Time of Arrival – приблизительное время, оставшееся до прибытия в заданную точку) и ETE (Estimated Time Enroute – приблизительное время суток, по прибытии в заданную точку). Многие GPS-устройства могут предупреждать об ухудшившейся точности определения координат. Это может происходить вследствие плохого приема сигналов спутников или неисправности прибора. Некоторые GPS-навигаторы имеют возможность поворота изображения на своем экране. Эта функция может быть полезна при одновременном использовании GPS в автомобиле/самолете (горизонтальное положение) и в руках (вертикальное положение).

P.S. На сегодняшний день основные навигационные возможности и эксплуатационные характеристики почти у всех устройств одинаковы: двенадцать параллельных каналов приема радиосигналов со спутника, примерно одинаковое время «холодного» (45 с) и «теплого» (1015 с) старта, одна и та же точность определения координат — 30 м. Практически все модели могут подключаться к компьютеру. Основное отличие GPS-устройств – это функциональные возможности и, соответственно, стоимость.

Что такое GPS-приемник: описание и принцип работы

Вероятно, каждый прямо или косвенно пользовался GPS-приемниками. Они встречаются в большинстве смартфонов, многих новых автомобилях, применяются в коммерческих целях по всему миру. Эти крошечные устройства могут мгновенно и совершенно бесплатно определить точное местоположение и время почти в любой точке планеты. Все, что для этого нужно, – наличие самого GPS-приемника, а они с каждым днем становятся дешевле и меньше.

Однако не следует принимать эти небольшие и недорогие модули как должное. На то, чтобы всегда и везде иметь возможность точно определить местоположение, ушли десятилетия инженерных разработок. С конца 70-х запускались десятки GPS-спутников, каждый из которых оборудован прецизионными атомными часами, и они продолжают регулярно выводиться на околоземную орбиту. Они непрерывно посылают данные на Землю по выделенным радиочастотным каналам. Карманные GPS-приемники оборудованы крошечными антеннами и процессорами, которые непосредственно принимают сигнал, отправленный спутниками, и на лету вычисляют положение и время.

Определение местоположения и времени

Данные, передаваемые на Землю с каждого спутника, содержат несколько разных фрагментов информации, которые позволяют GPS-приемнику точно рассчитать свое местоположение и время. Важным элементом оборудования на каждом из них являются чрезвычайно точные атомные часы. Данные о времени посылаются на Землю вместе с орбитальным положением и временем прибытия в разные точки орбиты. Другими словами, GPS-модуль получает временную метку от всех видимых спутников, а также информацию об их местонахождении. Из этих данных можно вычислить расстояние до каждого из них. Если антенна видит не менее 4 спутников, то можно точно рассчитать положение приемника.

Есть еще сторона глобальной системы позиционирования. Наряду с вышеперечисленными элементами существуют наземные станции, которые могут взаимодействовать со спутниковой сетью и некоторыми приемниками GPS. Такая система называется сегментом управления и повышает точность измерений. Ее примерами являются WAAS и DGPS. Первая используется большинством приемников и снижает ошибку до 5 м. Вторая требует наличия ресивера определенного типа и обеспечивает сантиметровую погрешность. Устройства данного типа дорогие и имеют тенденцию быть более крупными, поскольку требуют дополнительной антенны.

Assisted GPS

Одной из таких вспомогательных систем является Assisted GPS или AGPS. Этот метод использует беспроводные (наземные) сети для ретрансляции сигнала спутника, когда он слаб или его невозможно принять. AGPS помогает в двух вещах. Во-первых, предоставляет получателю данные альманаха и точное время. И во-вторых, использует более высокую вычислительную мощность и хороший спутниковый сигнал наземной базы для интерпретации получаемой фрагментированной информации, чтобы обеспечить более достоверное определение местоположения. AGPS в основном осуществляется внешними GPS-приемниками, установленными на вышках сотовой связи. Связь с ними позволяет быстрее настроиться на спутник, а также получить более точную информацию. Этот метод используется в GPS-приемниках для «Андроида» в мобильных телефонах. Вот почему смартфоны часто бывают точнее специализированных продуктов. AGPS присутствует в камерах, геодезических GPS-приемниках и некоторых автомобилях. Его использование наиболее выгодно в городах, где сигнал в лабиринте зданий иногда довольно трудно принять.

Дифференциальный GPS

Другим методом является дифференциальная система геопозиционирования DGPS. Данная система определения местоположения также использует наземные станции. Однако она отличается тем, что находит разницу между показаниями спутника и приемника. Станции могут находиться на расстоянии до 370 км от ресивера, и важно отметить, что по мере удаления от них точность измерений ухудшается. DGPS осуществляется наземной станцией, передающей сигнал, который диктует ошибку между фактической и измеренной псевдодальностью. Это значение рассчитывается путем умножения скорости света на время прохождения сигнала со спутника на приемник.

Примером одного из видов DGPS является система широкого радиуса действия WAAS. Первоначально она была разработана для помощи авиационным GPS-приемникам. В WAAS используется система специально построенных наземных станций. Предусмотрен набор стандартов точности, которым измерения должны отвечать. В горизонтальном и вертикальном направлениях в 95% случаев их погрешность не должна превышать 7,6 м. Наземные станции отправляют свои измерения на головные станции, которые посылают исправления на спутники WAAS каждые 5 секунд или чаще. Со спутника сигнал транслируется обратно на приемники на Земле, где скорректированные данные используются для повышения точности GPS. В некоторых местах WAAS может обеспечить погрешность до 1 м по горизонтали и 1,5 м по вертикали. Хотя WAAS присутствует только в Северной Америке, подобные системы существуют во многих других частях мира.

Чтение данных

Большинство модулей GPS оборудованы последовательным портом, который позволяет подключить их к микроконтроллеру или компьютеру.

После включения устройства данные NMEA (или сообщения в другом формате) отправляются из последовательного передающего разъема (TX) с определенной скоростью передачи и скоростью обновления, даже при отсутствии приема со спутника. Чтобы микроконтроллер считывал информацию, необходимо подключить вывод TX GPS ко входу RX. Чтобы настроить модуль, нужно подключить его вход RX к выходу TX устройства управления.

Микроконтроллер обычно анализирует данные NMEA. Разбор предложения производится путем простого выделения из него части информации.

Например, микроконтроллеру требуется прочитать только высоту GPS. Вместо того чтобы иметь дело со всем текстом, он анализирует предложение GPGGA и выбирает только высоту. Как только необходимая информация будет отобрана, ею можно манипулировать, чтобы выполнять другие действия.

Платформа Arduino также может легко анализировать данные NMEA с помощью библиотеки Tiny GPS.

Подключение к компьютеру

Простым способом непосредственного просмотра данных NMEA является использование GPS-приемника для ноутбука или компьютера. Для создания соединения необходимо лишь запитать устройство геопозиционирования и подключить вывод TX внешнего модуля ко входу RX компьютера.

Также возможно подключение GPS-приемника к USB-порту. При этом он может питаться как от собственного источника, так и через соединение с ПК. В первом случае освободившаяся линия используется для обнаружения наличия подключения USB-GPS-приемника к хосту. При соединении с компьютером питание поступает через универсальную последовательную шину, поэтому дополнительного источника не требуется.

Кроме того, Bluetooth-GPS-приемник обеспечивает беспроводную связь как с ПК, так и с совместимыми устройствами того же производителя. Это позволяет производить быстрый обмен общими данными, такими как маршруты и путевые точки.

После подключения необходимо открыть программу последовательного терминала, установив скорость передачи, равной скорости GPS-модуля. Даже если приемник не установил связь со спутником, на экране появится поток NMEA-предложений.

Настройка ресивера

Для настройки приемника GPS и ГЛОНАСС важно знать тип чипсета, который в нем установлен. Набор микросхем содержит мощный процессор, который отвечает за пользовательский интерфейс, все вычисления, а также аналоговые схемы антенны. Кроме того, чипсет позволяет принимать данные для настройки таких параметров, как скорость обновления, скорость передачи, выбор предложения и т. д.

Чтобы отправлять команды на приемник через последовательный порт, понадобится набор команд или справочное руководство. Но перед тем как погружаться в изучение команд для конкретного модуля, необходимо проверить наличие программного обеспечения, которое значительно облегчает работу с устройством и его настройку.

Некоторые чипсеты позволяют использовать альтернативные протоколы, такие как бинарный SiRF, UBX или собственные сообщения. Эти протоколы содержат аналогичную информацию, но обмениваются данными в виде двоичного (вместо ASCII) кода для более быстрой связи.

При коммуникации с GPS-приемником команды должны завершаться контрольной суммой. В большинстве случаев для этого для каждого предложения нужно выполнить команду XOR.

Антенна

Маленький GPS-модуль получает сигналы от спутников, удаленных на расстояние 19 тыс. км, которые расположены не только над головой, но и в любом месте на небе. Для лучшей производительности между антенной и спутниками нужна прямая видимость. Погода, облака, снежные бури не должны влиять на сигнал, но деревья, здания, горы, крыша над головой будут создавать нежелательные помехи, и точность GPS от этого пострадает.

Разработано много вариантов антенн. Одним из самых распространенных является керамическая патч-антенна. Она отличается низким профилем, дешевизной и компактностью, но, по сравнению с другими типами, принимает хуже. Чтобы получить хороший сигнал, она должна быть направлена ​​вверх на открытое небо, т. е. когда усиление максимальное.

В некоторых GPS-модулях используются винтовые антенны. Они занимают больше места, но их форма позволяет получить лучший сигнал в любой ориентации за счет более низкого усиления.

В некоторых модулях применяются SMA-антенны. Это дает возможность монтировать их в местах, отличных от места расположения самого приемника, что пригодится в случаях, когда основная система не имеет доступа к открытому небу (например, в здании или автомобиле).

FILED UNDER : Железо

Submit a Comment

Must be required * marked fields.

:*
:*