Спутниковый навигатор (спутниковый приёмник)

Отредактировано 27.07.2021

Спутниковый навигатор - устройство, которое получает сигналы спутниковой системы позиционирования с целью определения текущего местоположения устройства на Земле. Устройства спутниковой навигации обеспечивают информацию о широте и долготе, а некоторые могут вычислить и высоту. Зачастую современные спутниковые навигаторы выдают информацию на карте.

Зачастую спутниковые навигаторы называют "GPS-навигатором" что является некорректным, т.к. могут использоваться и другие спутниковой системы позиционирования (например, ГЛОНАСС или Galileo). Некоторые приёмники могут использовать сразу несколько систем спутниковых систем позиционирования.

Устройство спутникового навигатора

В независимости от того, какая используется спутниковая система позиционирования спутниковый навигатор состоит из 2 частей: аппаратной и программной.

Аппаратная часть спутникового навигатора

В спутнковом навигаторе присутствуют несколько важных компонентов, от которых во многом зависит точность и качество работы прибора:

1. Чипсет — набор микросхем, в котором процессор — самая важная часть. Процессор обеспечивает работу всего устройства, а также обрабатывает спутниковый сигнал, вычисляя координаты.
2. Антенна, настроенная на частоты, на которых передаются данные навигационных спутников.
3. Дисплей для отображения информации.
4. Оперативная память обеспечивает быстродействие навигатора.
5. Память BIOS обеспечивает связь аппаратной и программной части.
6. Встроенная Flash-память используется для хранения операционной системы, ПО и пользовательских данных.
7. Другие элементы платы — GPRS-модуль, Bluetooth-модуль, радиоприёмник и т. д. Наличие этих элементов зависит от архитектуры конкретной модели навигатора.
8. Разъёмы (внешние интерфейсы) — разъём внешнего питания, гнездо для подключения наушников, слоты для карт памяти и SIM-карт. Набор разъёмов зависит от особенностей конкретной модели навигатора.

Программная часть спутникового навигатора

В общем случае программная часть состоит из BIOS, операционной системы, программной оболочки, навигационных программ и дополнительных приложений.

• BIOS — микропрограмма, обеспечивающая операционной системе доступ API к аппаратуре навигатора.
• Операционная система — собственная ОС (как правило, на базе существующих) или ОС стороннего производителя. 
• Программная оболочка, обеспечивающая удобную работу с программным обеспечением навигатора и содержащая необходимые библиотеки для корректной работы программ.
• Навигационная программа — собственная разработка или ПО стороннего производителя. Наиболее популярные навигационные программы сторонних производителей — CityGuide, Навител Навигатор, Автоспутник, ПроГород и другие.
• Дополнительные приложения — мультимедийные приложения, игры и другие программы, как правило, предустановленные производителем.

В навигаторах некоторых производителей отдельные элементы программной части могут быть объединены. Например, функции программной оболочки может выполнять операционная система, а дополнительные приложения входить состав навигационной системы.

Принцип действия спутникового навигатора

Основа любого GPS-приёмника — это чипсет, на котором он работает. Долгое время все приёмники выпускались с 12-канальными чипсетами. Кроме того, что 12 каналов недостаточно для быстрого "холодного старта" — первоначального определения своего местоположения, такие приёмники нуждались в открытом небе, так как работали только с прямой видимостью спутников (минимум 3; чем больше, тем точнее). На сегодняшний день все подобные приёмники считаются устаревшими и сняты с производства. В настоящий момент максимальное число каналов на профессиональном приёмнике — 440 (два чипсета по 220 каналов в приёмнике). Поскольку навигационные спутники вещают на разных частотах, для повышения точности, профессиональное оборудование определяет координаты с помощью всех доступных каналов всех видимых в данный момент времени спутников. Несмотря на то, что теоретически, количество каналов профессионального геодезического оборудования как отечественного, так и зарубежного, можно повышать за счет установки дополнительных чипсетов, в ближайшее десятилетие это нецелесообразно, так как 440 каналов хватит на одновременное слежение за всеми запущенными спутниками (что в принципе невозможно, так как приёмник получает сигнал от спутников, находящихся в ограниченном секторе небесной сферы).

Точность измерения местоположения с помощью спутникового навигатора

Существует два принципиальных источника ошибок.

Первый, это то, что в приёмнике, в отличие от спутника, используются менее точные кварцевые часы, требующие регулярной синхронизации. Устранить ошибку можно, если использовать атомные часы, аналогичные размещенным на спутнике. Но во-первых, это громоздко, во-вторых, дорого. Другое решение — математически вычесть погрешность часов приёмника, приняв сигналы точного времени от минимум четырёх спутников. Этот метод и применяется в системах спутниковой навигации.

Второй источник ошибки — время обработки сигнала в приёмнике, так называемый бит-тайм. Для обычных GNSS-устройств заложена точность в один процент от бит-тайма, это соответствует 10 наносекундам, для скорости света — это расстояние 3 метра. Такая точность достаточна для ориентирования на местности, но не годится для строительства. Более продвинутые приёмники в профессиональных геодезических устройствах или для военных целей имеют точность на несколько порядков выше и определяют положение с точностью до 300 мм.

Остальные погрешность набираются при прохождении сигналом атмосферы (т.е. зависит от облачности и погоды), от различных препятствий, — лес, здания, тело самого владельца прибора и пр.

На практике максимальная точность измерения бытовых приёмников составляет 3-5 м даже при использовании систем SBAS (вспомогательные системы, которые поддерживают увеличение точности сигнала за счет использования спутниковой трансляции сообщений) и местных систем передачи поправок от наземной станции на 1 км расстояния между станциями (дифференциальный метод).

До 1 мая 2000 года точность GPS искусственно занижалась путём внесения в сигналы, передаваемые спутником, ложных поправок.

Классификация (виды) спутниковых навигаторов

Все приёмники можно разделить на профессиональные, обладающие высокой точностью определения местоположения, и бытовые. Первые в основном используются в военных целях, для геодезии и картографии, а вторые получили широкое применение в различных сферах современной жизни.

Профессиональное оборудование отличается качеством изготовления компонентов (особенно антенн), используемым программным обеспечением (ПО), поддерживаемыми режимами работы (например RTK, binary data output), рабочими частотами (L1 + L2), алгоритмами подавления интерференционных зависимостей, солнечной активности (влияние ионосферы), поддерживаемыми системами навигации (например GPS, ГЛОНАСС, Galileo, Beidou), увеличенным запасом электропитания и, разумеется, ценой.

Профессиональные приёмники классифицируются как

• геодезические приёмники — устройства, используемые для геодезических работ
• приёмники ГИС-класса — представляют собой промышленный вариант КПК, в который встроено приёмо-передающее устройство и антенна, с предустановленным специализированным ПО;

В целом, геодезические приёмники дают лучшую точность определения координат, однако развитие технологий позволяет некоторым моделям ГИС-класса успешно их заменять.

Спутниковые приёмники для широкого круга пользователей можно классифицировать следующим образом:

• портативные устройства — автомобильные (отдельное портативное устройство или встроенное в транспортное средство в качестве бортового компьютера), туристические, спортивные
• встроенные как функциональный узел в другие устройства — в ноутбук или смартфон
• GNSS-трекеры, GNSS-логгеры, которые ведут запись и передачу координат на серверный центр и используются для спутникового мониторинга автомобилей, людей, других объектов

Первые имеют собственный процессор для выполнения навигационных функций, а вторые, даже будучи оснащёнными собственными чипсетами, используют для своей работы навигационные приложения, предназначенные для конкретной операционной системы основного устройства. Как правило GNSS-трекеры и GNSS-логгеры не оснащаются собственными дисплеями для отображения информации, и служат исключительно для сбора, передачи и хранения данных, которые впоследствии могут быть обработаны и использованы в самых разных целях, например для спутникового мониторинга автомобилей.

Карта в спутниковом навигаторе

Наличие карты в спутниковом навигаторе существенно улучшает пользовательские характеристики навигатора. Навигаторы с картами показывают положение не только самого приёмника, но и объектов вокруг него.

Все карты в спутниковом навигаторе можно поделить на два основных типа — векторные и растровые.

Растровые карты в спутниковом навигаторе

Растровые карты — это самый простой и доступный тип карт. Фактически это изображение местности, к которому привязываются географические координаты. Масштаб растровой карты напрямую зависит от исходного варианта: или это фотография со спутника, или отсканированная бумажная карта.

В России лучше всего представлены растровые карты крупных городов, для других районов карты найти проблематично. Также есть проблема привязки координат карты к координатам, выдаваемым приёмником (проблема датума). 

Огромный массив растровых (фотографических и растеризованных векторных) карт и средства работы с ними, включая поддержку работы с GPS-приёмниками, предоставляют такие интернет-сервисы, как Карты Google, Яндекс.Карты и др.

Векторные карты в спутниковом навигаторе

Векторные карты представляют собой базу данных, где хранится информация об объектах, их характеристиках и взаимном месторасположении, географических координатах и прочем. В картах могут храниться разнообразные характеристики местности: горы, реки, озера, впадины, дороги, мосты, уровни антропогенных загрязнений, типы растительности, расположение ЛЭП. Также многие подробные карты хранят множество таких объектов, как заправки, гостиницы, кафе и рестораны, стоянки, посты дорожной полиции, запрещённые к проезду зоны, достопримечательности и памятники, культурные артефакты, больницы.

Поскольку в них не содержится объёмных графических изображений, места в памяти они занимают гораздо меньше, чем растровые, но работают медленнее. Безусловным преимуществом векторных карт является возможность осуществлять адресный поиск, а также поиск ближайших к заданной точке объектов инфраструктуры. Кроме того, векторные карты позволяют показывать разную детализацию объектов при отображении карты в разных масштабах.

Существуют навигационные системы, позволяющие пользователю дополнять карты навигатора своими собственными объектами.

В специализированных автомобильных GPS-навигаторах существует возможность прокладывать маршруты по векторной навигационной карте — с учётом дорожных знаков, разрешённых поворотов и даже дорожных пробок.

При подготовке туристических походов в ряде случаев разумным является рисование собственных карт района будущего путешествия. Такая карта рисуется с помощью специализированного векторного графического редактора — и может быть сохранена в векторном формате, пригодном для загрузки в спутниковый навигатор. Таким образом, количество и качество туристических карт для спутниковой навигации также со временем растёт.