Автомобильная навигация

Автомобильная навигация

Автомобильная навигация — это прежде всего, определение места автомобиля. Навигационная система, главным об­разом, опирается на систему GPS (система глобального позиционирования). Автомобильная навигация сравнивает вычисленную позицию с цифровой картой и использует эту карту для расчета маршрута к нужной точке.

 

Автомобильная навигация

 

Навигационное оборудование может уста­навливаться на транспортное средство на заводе-изготовителе (рис.1 «Навигационная система»). Также широко используются мобильные навигационные си­стемы. По сравнению с портативными систе­мами постоянно установленные устройства обеспечивают лучшее качество позициониро­вания, и, значит, улучшенную навигацию, по­скольку можно получать данные от дополни­тельных датчиков расстояния и направления (скорость и направление), и антенну можно установить в более благоприятном месте для приема спутникового сигнала. В каче­стве опции для стационарного оборудования широко используются сетевые возможности, т.е. возможна сетевая интеграция системы. Голосовые сообщения могут озвучиваться через динамики и заглушаться при разговоре по телефону. Информация по выбору марш­рута может отображаться в комбинации при­боров или на мониторе, или отражаться на ветровом стекле, и быть доступной в рамках основного поля зрения водителя.

Навигационная система

Функции автомобильной навигации 

 

Позиционирование

 

Система глобального позиционирования (GPS)

Система GPS основана на сети из 24 воен­ных спутников США, которые используются для глобального позиционирования (рис.2 «GPS — система глобального позиционирования»). Они летают вокруг Земли по шести раз­личным орбитам на высоте приблизительно 20 000 км с интервалом в 12 часов. Они рас­положены таким образом, что с каждой точки на поверхности Земли видны, как минимум, четыре (обычно до восьми) спутников выше линии горизонта.

Эти спутники 50 раз в секунду передают специальные сигналы положения, идентифи­кации и времени на несущей частоте 1,57542 ГГц. Каждый спутник имеет на борту двое цезиевых и двое рубидиевых атомных часов с отклонением менее 20-30 нс для высоко­точного определения времени для сигналов.

GPS - система глобального позиционирования

Определение положения

Сигналы от спутников приходят на GPS — приемник автомобиля не одновременно из-за различия расстояний. Положение приемника рассчитывается методом радиогеодезиче­ских измерений. При получении сигналов, как минимум, от трех спутников, навигационное устройство рассчитывает свое географиче­ское положение в двух измерениях (долгота и широта). Имеется только одна точка, соот­ветствующая условиям дальности (времени прибытия сигналов). При получении сигналов, как минимум, от четырех спутников, мо­жет быть рассчитано положение приемника в трех измерениях (с учетом высоты над уровнем моря). На рис.3 «Определение положения системой GPS» показан этот про­цесс в упрощенной форме (только в двух измерениях).

Точность позиционирования в навигации

Достижимая точность зависит от положе­ния спутников, сигнал от которых может быть принят, относительно автомобиля. Чем больше пространственный угол спутника от­носительно автомобиля, тем лучше условия определения положения. Достижимая точ­ность в плане — приблизительно 3-5 м, а по высоте — приблизительно 10-20 м.

В зонах высотной застройки спутниковые сигналы могут быть приняты только, если спутники расположены, в значительной мере, на одной линии, т.е. в направлении улицы. Однако, в этом случае пространствен­ный угол между направлениями на спутники очень мал, и определение положения неточ­ное.

Ошибки в определении положения могут возникать в результате отражения спутнико­вых сигналов, например, от железобетонных стен зданий.



Определение направления движения

Направление движения можно легко опре­делить по разнице частот принятых сигна­лов, вызванной эффектом Допплера. Когда автомобиль движется по направлению к спутнику, GPS-приемник получает сигнал увеличенной частоты. С обратной стороны спутника приходит сигнал уменьшенной ча­стоты. Начиная со скорости приблизительно 30 км/ч, этот эффект достаточно заметен при определении направления.

Навигационное счисление

Навигационное счисление позволяет опре­делять положение даже, если сигналы GPS не принимаются, например, в туннеле. При этом добавляются циклически записывае­мые элементы по дальности в виде век­тора по величине и направлению. Сигнал от спидометра передается через шину CAN для измерения пройденного расстояния. Изменения направления движения считы­ваются датчиком курса. Таким образом, рассчитывается направление движения, начиная с последнего абсолютного определения направления, по последним полу­ченным сигналам GPS на основе эффекта Допплера.

Корреляционное определение по карте

Процедура, именуемая «корреляционное определение по карте», состоит в посто­янном сравнении расчетного положения с маршрутом, проложенным на цифровой карте. Таким образом, точное положение автомобиля может быть показано на карте даже, если расчетное положение неточное (неточность может быть вызвана, например, отсутствием сигнала GPS и ошибками в на­вигационном счислении). Таким образом, рекомендации по выбору маршрута могут быть поданы в наиболее удобной форме. Кроме того, можно скомпенсировать ошибки датчиков и накапливаемые ошибки навигационного счисления.

Ввод пункта назначения

Пункт назначения можно задать, например, через кнопочную панель устройства навига­ции, прямо через сенсорный экран или при помощи голосовой команды. Пример показа карты с указанием POI (интересные места)Пользователь вводит все необходимые данные через меню или в ответ на запросы голосовой системы коммуникации.

Цифровая карта дорожной сети содержит справочник маршрутов, позволяющий вво­дить в систему адрес пункта назначения. Для этого нужно иметь список всех известных названий. В свою очередь, эти списки содер­жат также названия дорог и улиц. Чтобы за­дать адрес более точно, пользователь может указать конкретный перекресток или номер дома.

Пункт назначения можно быстро ввести из памяти, где хранятся прежние пункты назначения, которые можно вызвать снова (например, пункт назначения, записанный в категории «избранное»).

Аэропорты, вокзалы, заправки, много­этажные парковки и т.д. записаны в тема­тических списках (POI, интересные места). При помощи этих списков можно, например, найти близлежащую заправку или многоэ­тажную парковку (рис.4 «Пример показа карты с указанием POI (интересные места)»).

Во многих навигационных системах пункт назначения можно отметить на дисплее по карте (например, при помощи сенсорного экрана).

Расчет маршрута

 

Стандартный расчет маршрута

Начиная с текущей позиции, навигационное устройство рассчитывает маршрут к задан­ному пункту назначения. Способ расчета может выбираться в соответствии с предпо­чтениями пользователя. Можно задать раз­личные опции, такие как, например, оптими­зация маршрута:

  • на основе времени поездки;
  • на основе критерия экономичности вре­мени и расстояния поездки;
  • на основе заданного минимального рас­хода топлива;
  • в обход шоссейных дорог, паромных пере­прав или платных дорог.

Рекомендации по выбору маршрута вы­даются в течение нескольких секунд после введения пункта назначения. Рассчитывается также сценарий, если водитель отклоняется от рекомендованного маршрута. Новые ре­комендации выдаются до того, как водитель доедет до следующего перекрестка.

Динамический выбор маршрута

 

Динамическая маршрутизацияМногие радиостанции передают сообщения о дорожной ситуации не только в виде речевых сообщений, но и в форме кода. Для этой цели существует стандарт «ALERT-С» для канала транспортной информации (ТМС). Информа­ция ТМС передается по системе радиоданных (RDS) в диапазоне FM.

В кодированных сообщениях, кроме прочего, содержатся указания на места автомобиль­ных пробок, их серьезность, фактическую длину и причины. Система навигации может получить такое кодированное сообщение и определить, не находится ли пробка на вы­бранном маршруте. Если так, то маршрут рассчитывается заново, с поправкой на боль­шее время прохождения участка с пробкой. Можно выбрать обходной маршрут (рис.5 «Динамическая маршрутизация»). По новому маршруту будут новые рекомен­дации.

Кодированные сообщения системы ТМС передаются только для главных трасс.

Проведение по маршруту

 

Рекомендации по маршруту

Маршрутизация выполняется путем сравне­ния текущего местоположения автомобиля с вычисленным маршрутом. Рекомендации по маршруту обычно даются в звуковой (го­лосовой) форме. Это позволяет водителю не отвлекаться от дороги. Одновременно с этим в комбинации приборов — в главном поле зре­ния водителя — должны отображаться про­стые графики для оказания помощи в пони­мании направления движения. Эти графики могут быть в виде простых стрелок или в виде полноценной карты в нужном мас­штабе (рис.4).



Цифровая карта

 

Дисплей карты

В зависимости от системы, карта на цветном дисплее может показываться в масштабе приблизительно 1:2 000 в 2D, перспективном 2D (псевдо 3D) или истинном 3D. В таком виде удобнее оценить весь маршрут или его участок. Дополнительная информация, такая как, например, реки или озера, железные до­роги или леса, облегчает ориентирование.

Оцифровка

Карты и аэрокосмические фотографии высо­кого разрешения являются основой создания цифровых изображений. Если эти изображе­ния устарели или недостаточно точны, про­водятся полевые исследования. Оцифровка ведется вручную на основе картографиче­ского материала и аэрокосмических снимков. Затем в базы данных добавляются названия и классификация объектов (например, улицы, водные пространства, границы).

По улицам движутся специальные автомо­били, записывающие характеристики, свя­занные с дорожным движением (например, односторонние дороги, ограничения про­езда, мосты и туннели, запреты на поворот на перекрестках): затем данные оцифровки проверяются на месте. Данные, собранные таким способом, добавляются в базы данных и используются в цифровых картах.

Память данных

Диски DVD благодаря их большей в семь раз емкости, в настоящее время вытеснили диски CD в роли носителя цифровых карт. С другой стороны, новые системы теперь используют жесткие диски или SD-карты (последние явно преобладают для портативных систем). Эти средства записи информации предоставляют дополнительные возможности оптимизации навигационных систем в соответствии с пред­почтениями пользователей.

В следующей статье я расскажу о гидростатике.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *