Реферат: Навигаторы, их устройство и применение

Несмотря на то что уровень развёртывания ГЛОНАСС в настоящее время не находится в полном функциональном состоянии, приём и совместная обработка сигналов ГЛОНАСС и NAVSTAR позволяют увеличить производительность при выполнении спутниковых геодезических измерений в сложных условиях (например, городской застройки), когда число видимых спутников системы NAVSTAR сокращается. Поэтому в настоящее время многие разработчики аппаратуры пользователей создают спутниковые приёмники, способные работать одновременно с различными системами (например, компания Topcon Positioning System). Эти приёмники, в отличие от приёмников GPS, принимающих только сигналы NAVSTAR, называют GNSS-приёмниками (Global Navigation Satellite System, аналог русского обозначения ГНСС), а используемые методы обработки – GNSS-технологиями.

Система GPS выглядит предпочтительнее для навигационных целей, чем ГЛОНАСС. Это связано с тем, что навигационных решений под ГЛОНАСС для обычных пользователей практически не существует и рынок ГЛОНАСС пока слабо развит.

Современные геодезические измерения невозможно представить без использования спутниковых технологий определения пространственных координат. Первые GPS-приёмники появились ещё в начале 1980-х годов. За время существования они претерпели серьёзные изменения, но неизменным остался способ определения координат. Главной особенностью современного развития геодезического оборудования является стремление упростить процесс измерений и объединить всё необходимое в одном приборе.

Итак, в зависимости от характера решаемых задач GPS-системы можно разделить на два класса – навигационные приёмники и системы геодезической точности.

Навигационные приёмники обеспечивают устойчивое определение текущих координат с точностью десятков метров и являются относительно недорогими устройствами. Приборы этого класса просты в эксплуатации, портативны, а время, необходимое для получения координат в точке, составляет секунды или единицы минут.

Геодезические GPS-системы являются значительно более сложными устройствами, но они позволяют достигать точности привязки объекта до долей сантиметра, соответственно, стоимость таких систем существенно выше и может составлять десятки тысяч долларов.

Хотя повышение точности результатов желательно в любой раgботе, для задач привязки на местности различных объектов точность, обеспечиваемая навигационными приёмниками, является вполне удовлетворительной, а в особо критичных случаях может быть повышена за счёт проведения большого числа измерений и их последующей статистической обработки.

В целом весь спектр моделей GPS-приёмников по особенностям использования можно разделить на четыре большие группы.

· Персональные GPS-приёмники индивидуального применения. Эти модели отличаются малыми габаритами и широким набором сервисных функций: от базовых навигационных, включая возможность формирования и расчёта маршрутов следования, до функции приёма и передачи электронной почты.

· Автомобильные GPS-приёмники, которые предназначены для установки в любом наземном транспортном средстве и имеют возможность подключения внешней приёмо-передающей аппаратуры для автоматической передачи параметров движения на диспетчерские пункты.

· Морские GPS-приёмники, оснащённые ультразвуковым эхолотом, а также дополнительными сменными картриджами с картографической и гидрографической информацией для конкретных береговых районов.

· Авиационные GPS-приёмники, используемые для пилотирования летательных аппаратов, включая коммерческую авиацию.

Важно отметить, что использование GPS в навигационных целях тесно связано с применением современных информационных технологий – компьютерных баз данных и Геоинформационных систем (ГИС).

Как можно понять, далеко не все из вышеперечисленных устройств интересны нашим читателям, а, как следствие, и нам. Поэтому сложнейшие геодезические приборы мы учитывать не будем. А своё внимание сконцентрируем на персональных, автомобильных и, возможно, морских GPS-приёмниках, а также на аксессуарах для них.

навигатор растровый векторный

2. Устройство навигатора

Любой GPS/ГЛОНАСС-автонавигатор представляет собой специализированный компактный персональный компьютер (КПК), программно-аппаратное обеспечение которого «заточено» под выполнение вполне определённых задач - задач навигации. Отличительными чертами автомобильных GPS-навигаторов являются: более мощная приёмная антенна навигационных сигналов, большой сенсорный экран, целый ряд дополнительных функций (FM-передатчик, модуль Bluetooth, датчик освещённости, адаптер для подключения навигатора к автомобильному прикуривателю,…) облегчающих совместное использование навигатора и автомобиля. Конструктивно GPS-навигатор представляет собой пластиковую коробочку, в которой находятся:

· печатная плата с расположенными на ней центральным процессором (CPU), навигационным процессором (чипсет GPS-приёмника), оперативной памятью (ОЗУ), постоянной памятью (ПЗУ, Flash-память) и радиоэлектронными компонентами для реализации дополнительных функций. В современных GPS-навигаторах центральный процессор и навигационный процессор могут представлять собой единую микросхему (например, процессор SiRFatlas V);

· встроенная антенна для приёма спутниковых навигационных сигналов;

· сенсорный дисплей;

· источник питания (аккумулятор).

Программное обеспечение навигатора состоит из операционной системы (Windows CE 5.0, Windows CE 6.0, Linux и пр.) и прикладного программного обеспечения, выполняемого в среде операционной системы. Операционная система является «посредником» между прикладными программами и аппаратным обеспечением навигатора, предоставляя программам разных разработчиков единый интерфейс доступа к «железу», координируя их совместную работу, распределяя общие аппаратные ресурсы. Частным случаем прикладной программы является навигационная программа (Навител, Автоспутник, CityGuide, ПроГород,…). Но сама по себе навигационная программа является лишь красивой оболочкой, отображающей на сером поле одну единственную точку и её географические координаты - положение навигатора в пространстве. Для того, что бы помимо точки, можно было увидеть еще и окружающую местность, дороги, перекрёстки, дома, проложить маршрут, нужны ещё географические карты (картография). Географические карты сжимаются, кодируются и сохраняются в определённом формате, понятном, как правило, только навигационной программе одного конкретного производителя. Тандем навигационная программа - картография рассматривают неотделимо друг от друга (хотя обновляются они при выходе более новых версий по-отдельности).

Карты, используемые в навигации, могут быть векторными и растровыми. Векторные карты – это набор примитивных объектов (точек, линий, полигонов) с набором атрибутов, из которых формируется карта нужной местности. Растровая карта – это «привязанное» к координатам изображение местности в виде картинки. Эти два разных формата представления карт имеют свои недостатки и преимущества, которые надо учитывать при использовании.

3. Растровое изображение

Растровое изображение не является картой, в том понимании, которое принято в геодезии. Изображение формируется из отдельных пикселей, упорядоченных в определенной последовательности. Изображение выглядит как картинка, но при близком рассмотрении, видно что, оно представляет из себя набор точек разных цветов. По сути, представление растрового изображения на экране компьютера является аналогом формы в которой растр сохраняется в файл на диске компьютера. Одной из форм этого типа является битовый образ (битмап) представляемый файлом с расширением .bmp. Файлы .bmp быстро отображаются на экране, но занимают больше количество памяти на диске.

Картографическое изображение включает большие участки одного фона, которые можно легко «ужать», уменьшив конечный размер файлов. Одним из наиболее популярных методов сжатия графических файлов является .gif формат. Данный формат наиболее эффективно сжимает файлы, особенно карты. К сожалению, .gif формат запатентован и многие разработчики графических программ, не желающие вносить лицензионные платежи , используют другие, менее эффективные, методы сжатия. Одним из таких методов является .jpg. Этот формат замечательно подходит для фотографий людей и пейзажей, но менее удачен для карт, так как в процессе компрессии немного теряется четкость линий. Для решения этой проблемы, был разработан .png формат. Существуют еще методы .tif и .tiff. В принципе, метод .tiff не намного эффективнее .bmp формата, но разработаны версии сжатого .tiff, который позволяет значительно уменьшить размер файлов. Стоит учесть, что сжатый файл должен быть декодирован перед отображением на экране компьютера, и чтобы этот процесс не «нервировал» пользователя, требуется соответствующая мощность процессора. Другим известным форматом является .drg. По сути, этот тот же самый .tiff формат, но дополненный некоторой калибровочной информацией.

Растровые изображения (или битмапы) могут использоваться как карты. Они могут содержать схематические или фотографические изображения карт, планы местности, . Пользователь самостоятельно может нарисовать карту в графическом редакторе. Но во всех этих случаях, компьютер рассматривает эти картографические изображения, как обычные картинки. Дороги, дома, леса, водные массивы являются для компьютера обычным набором разноцветных пискелов и ничем больше. И только пользователь, может идентифицировать их как отдельные объекты, а все изображения как карту определенной местности. Все это является большим и самым главным ограничением при использовании растров в качестве карт

Основным преимуществом растра является возможность использовать карты любых регионов и любых масштабов, сняв электронную копию (сканирование) с соответствующего бумажного оригинала. Пользователь может самостоятельно, с помощью графического редактора, внести изменения в изображения карты, добавив дорогу или внося комментарии. Но при всем при этом, растровые карты остаются обычной картинкой, без дополнительных информационных возможностей. Изменение масштаба растровой карты подразумевает приближение или увеличение изображения без изменения информации. Увеличенное изображение представляет из себя приближенную картинку. Есть программы, которые при изменении масштаба, заменяют текущую карту другой картой, более или менее детальной. Такой метод требует подготовки набора карт одного региона в различных масштабах, соответственно, значительно увеличивается количество файлов и их общий размер памяти.

При достижении границ карты, программа должна самостоятельно или с вручную, с помощью пользователя, переключаться на соседний лист. Можно объединить листы соседних регионов единое изображение и использовать для перемещения по карте полосы прокрутки (scrollbars), но работа с объектами на карте уже будет менее удобной

Программы для работы с растровыми картами обычно поставляются без карт. Если в инсталляционном комплекте и содержатся карты, то обычно это либо базовая карта мира, либо карты какой-нибудь, не относящейся к пользователю, местности. Под свои задачи, пользователь должен создавать или находить карты самостоятельно. Можно сканировать бумажные оригиналы карт, скачивать их из Интернета, покупать на дисках. Большинство программ поддерживает карты, представленные в различных графических форматах.

Для использования с GPS приемниками, одного изображения карты недостаточно, необходимо его калибровать.