GPS-навигация. Перспективы, проблемы, достижения

(Материалы научно-практической конференции "IT-технологии как средство реабилитации незрячих людей: Состояние, проблемы и перспективы", Государственное бюджетное учреждение культуры "Пермская краевая специальная библиотека для слепых", Пермь, 2011)
Дата публикации:10.06.2012
Twitter Facebook Vkontakte

«Что такое GPS? Что это за система?» - такого плана вопросы мы слышим от незрячих, которые пообщались с человеком, уже использующим эти технологии в своей повседневной жизни. И всегда рассказ, подтвержденный конкретными примерами, вызывает живой, неподдельный интерес у старого и малого. Что же такое GPS-навигация? И какую практическую пользу может извлечь инвалид по зрению, получив определенные навыки в этой области.

GPS - сокращение от названия "Global Positioning System", которое дословно можно перевести, как "глобальная система позиционирования". Система состоит из двадцати четырех орбитальных спутников, которые находятся на высоте около двадцати тысяч километров и беспрерывно передают на Землю навигационные сигналы. Сигналы содержат "псевдослучайный код" (PRN), данные эфемерид и альманаха спутников. Навигационная аппаратура пользователя принимает эти сигналы и, декодируя переданную информацию, вычисляет координаты спутников и время распространения сигнала от спутника до текущего положения. Измерения по четырём спутникам позволяют определить "свои" точные координаты и значение времени. Это система, позволяющая с точностью до одного метра определить местоположение объекта, т.е. определить его широту, долготу и высоту над уровнем моря, а также направление и скорость его движения. Кроме того, с помощью GPS можно определить время с точностью до одной наносекунды.

GPS состоит из совокупности определенного количества искусственных спутников Земли (спутниковой системы NAVSTAR - Американская система) и наземных станций слежения, объединённых в общую сеть. В качестве абонентского оборудования служат индивидуальные GPS-приемники, способные принимать сигналы со спутников и по принятой информации вычислять свое местоположение.

Получив поверхностное представление о работе GPS, люди ожидают иногда от системы очень многого. То есть человек надеется, что навигация заменит ему сопровождающего, трость, собаку-поводыря и даже глаза. Часто приходится слышать примерно такие фразы: "а ведь вырытую на тротуаре траншею он мне не подскажет?" или "а как я найду дверь в магазин раз там погрешность в 10 - 15 метров?"

Фактором, влияющим на точность GPS, является геометрия спутников. Простыми словами, понятие "геометрия спутников" означает то, как они расположены относительно друг друга и GPS-приемника. Если, например, приемник "видит" четыре спутника и все четыре расположены в северном и западном направлениях, то спутниковая геометрия скорее плохая. Причем вплоть до того, что приемник вообще не сможет определить местоположение. Почему? Потому что все расстояния, измеренные до спутников, будут лежать в одном глобальном направлении. Это означает, что триангуляция будет плохой и что область пересечения построенных прямых будет довольно большой (т.е. область вероятного положения будет занимать значительное пространство и точно указать координаты невозможно). В этом случае, даже если приемник выдает некоторые значения координат, их точность не будет достаточно хороша (возможно, 100 - 150 м). Если же эти четыре спутника будут находиться в разных направлениях, то точность значительно возрастет. Предположим, что они расположены равномерно по сторонам горизонта - на севере, востоке, юге и западе. Тогда, очевидно, геометрия будет очень хорошей. Область, определяемая пересечением соответствующих прямых, будет невелика, и мы можем быть уверены в правильности рассчитанного местоположения. Геометрия спутников становится особенно важной при использовании GPS-приемника в автомобиле, среди высоких зданий, в горах или в глубоких ущельях. Если сигналы от некоторых спутников оказываются экранированы, то точность определения местоположения будет зависеть от оставшихся "видимыми" спутников (а от их количества - возможность провести расчеты вообще). Чем большая часть неба заслонена искусственными или естественными предметами, тем более сложно определить положение. Хорошие модели GPS-приемников показывают не только количество спутников, находящихся в зоне видимости, но и где они расположены на небе (направление и высоту над горизонтом) для того, чтобы Вы могли определить, не экранируется ли сигнал от данного спутника.

Другим источником ошибок является переотражение спутникового сигнала от различных объектов. (В быту мы встречаемся с этим явлением в виде появления раздвоенного изображения на экране телевизора.) В случае GPS переотражение возникает при взаимодействии сигнала со зданиями или рельефом местности до того, как он достигнет приемной антенны. Такому сигналу требуется больше времени для достижения приемника, чем прямому. Это увеличение времени заставляет приемник считать, что спутник находится на большем расстоянии, чем на самом деле, и это увеличивает ошибку при определении положения. Такие переотражения, если происходят, то могут добавить около 5 м в общую ошибку.

Существуют ли другие источники погрешностей? Конечно. Например, задержка прохождения сигнала из-за различных атмосферных феноменов. Или ошибка хода часов приемника. Однако GPS-приборы спроектированы так, чтобы, по возможности, компенсировать их и, надо сказать, они справляются с этой задачей вполне успешно. Однако, небольшие искажения все же возможны. Для тех, кто интересуется, можно заметить, что задержка прохождения сигнала означает уменьшение скорости распространения радиоволн при прохождении ионосферы и тропосферы Земли. В космосе радиосигналы распространяются со скоростью света, однако при попадании их в ионизированные слои атмосферы Земли они существенно замедляются.

Обычные гражданские GPS-приемники обеспечивают точность от 1 до 30 метров, в зависимости от количества видимых спутников и их геометрии. Более сложные и дорогие приборы, стоящие несколько тысяч долларов, могут обеспечить точность до нескольких сантиметров, используя не одну, а несколько радиочастот. Точность даже обычных гражданских GPS-приемников может быть увеличена с помощью дифференциальной GPS (DGPS). DGPS использует дополнительный фиксированный в одной точке GPS-приемник для определения коррекции спутниковых сигналов. Как же величина необходимой коррекции сообщается Вашему GPS-приемнику? В настоящее время в мире существует несколько бесплатных и платных служб такого рода. Так, например, Береговая охрана США и Инженерный корпус Армии США передают GPS-коррекции через морские радио-буи. Они работают в диапазоне 283.5 - 325.0 кГц и пользоваться ими можно бесплатно. Вашим единственным расходом, если Вы захотите пользоваться услугами этих служб, будет приобретение DGPS-приемника. Этот приемник подключается к Вашему GPS-навигатору с помощью 3-х проводного кабеля, по которому поправка передается в обычном последовательном виде в формате, называемом RTCM SC-104. Платные DGPS-службы работают в УКВ-диапазоне или осуществляют вещание через спутники. Естественно, и в этих случаях Вам понадобится специальный DGPS-приемник для приема поправок и передачи их на GPS-навигатор. Цена зависит от требуемой точности.

С повседневным внедрением GPS во многие сферы человеческой жизни, энтузиасты решили и такой вопрос, как использование системы в ориентировке на местности незрячими людьми. Данная, абсолютно уникальнейшая, возможность позволяет незрячим самостоятельно, без особой помощи зрячих помощников, путешествовать, ориентировать себя в незнакомой местности (например, в огромном мегаполисе быстро находить друг друга в заранее промаркированной точке) и даже помогать здоровым людям-прохожим, объясняя, как и каким образом лучше всего добраться в необходимое место...

Система GPS позволяет определить местоположение в любой точке на суше, на море и в околоземном пространстве. В зависимости от области применения, диапазон которой довольно широк, а также от стоимости, которая может колебаться от десятков до нескольких тысяч долларов, исполнение GPS-приемников весьма разнообразно. В целом весь спектр моделей можно разделить на четыре большие группы:

  1. Персональные GPS-приемники индивидуального применения. Эти модели отличаются малыми габаритами и широким набором сервисных функций: от базовых навигационных, включая возможность формирования и расчета маршрутов следования, до функции приема и передачи электронной почты.
  2. Автомобильные GPS-приемники, 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.
  3. Морские GPS-приемники, оснащенные ультразвуковым эхолотом, а также дополнительными сменными картриджами с картографической и гидрографической информацией для конкретных береговых районов.
  4. Авиационные GPS-приемники, используемые для пилотирования летательных аппаратов, включая коммерческую авиацию.

Какую модель GPS-модуля лучше выбрать, и чем руководствоваться при выборе человеку с проблемами зрения?

Можно выделить следующие критерии при подборке GPS-модулей:

  1. Наличие в комплекте сетевого зарядного устройства. Хотя этот критерий и ни столь критичен, так как практически все GPS-модули могут подзаряжаться от вашего компьютера через USB кабель, прилагающийся в комплекте поставки;
  2. Съёмный nokia-совместимый аккумулятор, чтобы его можно было легко найти в продаже в случае потребности в замене;
  3. Кнопка питания выполнена в виде рычажка, чтобы можно было легко понять, когда модуль выключен, а когда включён, так как питание, выполненное в виде обычной кнопочки, не позволяет легко определить, активен ли на данный момент GPS-модуль;
  4. Время непрерывной работы не менее 24 часов от одной зарядки;
  5. Чипсет МТКII;
  6. Функция авто-включение/отключение. Когда пропадает Bluetooth-соединение (устройство отключилось от GPS-приёмника), модуль выключает поиск спутников. Как только происходит новое подключение по Bluetooth - GPS-приёмник автоматически возобновляет работу. Это всё, соответственно, позволяет увеличить работу приёмника в режиме ожидания на более длительное время;
  7. Отсутствие всяких дополнительных сервисов, типа: навигационного экрана, вшитых навигационных карт, возможность сохранять треки, личные метки координат и т. д. Всё это, конечно, очень интересно и даже пригодилось бы, но для незрячих пока не адаптировано и лишь увеличивает сумму расхода при приобретении GPS-приёмника.

Ещё один часто задаваемый вопрос: - Какой GPS-приёмник лучше: внешний модуль или встроенный в смартфон чипсет?

Данный вопрос до сих пор вызывает множество споров, но мы всё-таки рискнём дать рекомендацию к покупке внешнего GPS-приёмника, и вот по каким причинам:

  1. Внешний модуль более уверенно принимает сигнал со спутников;
  2. 2. Лучшая точность позиционирования;
  3. Есть возможность положить внешний модуль туда, где будет качественнее сигнал, а не тянуться вместе с мобильным телефоном в сторону лучшего приёма;
  4. Так как у GPS-приёмника свой источник питания, то значит, что аккумулятор мобильного телефона работает потенциально дольше от одной зарядки;
  5. Внешний GPS-модуль чаще гораздо быстрее находит рабочие спутники, чем это происходит со встроенным чипсетом в смартфоне.

К субъективным недостаткам внешнего приёмника можно отнести лишь то, что приходится следить за эксплуатацией сразу двух устройств: за самим модулем и за смартфоном, что не всем нравится. Плюс покупка внешнего GPS-приёмника - это дополнительные денежные расходы.

Что такое loadstone?

Loadstone-GPS - это freeware программа, предназначенная специально для незрячих пользователей. Для работы с ней необходимо иметь:

  1. Мобильный телефон на платформе s60v2 или s60v3;
  2. Программы Talks или Mobile Speak;
  3. Внешний GPS-приемник с технологией Bluetooth или встроенный в телефон модуль.

Отличительной особенностью Loadstone является то, что она не работает с картами, как большинство аналогичных программ. Пользователь сам должен создавать базы данных или загружать другие базы, которые поддерживает программа. Для этого на сайте разработчика имеется раздел PointShare exchange. Аналогичный обмен точками мы сделали и на нашем сайте, так как благодаря этому будет расширяться доступ к использованию программы.

Loadstone-GPS обладает развитой системой мониторинга и оповещений, практически всё в ней доступно с помощью горячих клавиш, которые в последних версиях уже можно переназначать на своё усмотрение. Работают функции поиска точек в базе данных, каждую точку кроме названия можно снабдить своим комментарием. Есть возможность записать памятку в аудио формате, сохранять свои маршруты, создавать точки привязки и многое, многое другое...

В республике Татарстан и в нашем городе в частности в последние несколько лет использованию незрячими GPS-технологий в повседневной жизни стало уделяться большое внимание.

Так в городе Нижнекамске был выигран грант на приобретение оборудования и обучение слепых, который на сегодняшний день успешно реализуется.

Несколько человек прошли обучение на курсах в Москве и также передают полученные знания на местах.

Что же касается непосредственно нашего города, в рамках голосового чата "Ventrilo" энтузиастами были организованы уроки для начинающих пользователей в формате: вопрос - ответ. Существуют аудиозаписи этих занятий, которые до сих пор пользуются большим спросом и помогают освоить премудрости современной техники людям, у которых нет возможности получить информацию иным способом.

На базе Бугульминского филиала Центра образования и реабилитации набираются группы желающих освоить GPS-навигацию.

24 июня 2011 года в городе Бугульма были проведены соревнования по GPS-навигации. В состязаниях приняли участие 6 человек, не прошедшие обучения в культурно-спортивном комплексе ЦП ВОС. Организаторами и идейными вдохновителями этого мероприятия стали Рафис Вафин и Василий Морарь. Учредителем призового фонда выступила Бугульминская первичная организация ВОС.

В течение двух последних месяцев в нашем городе проводились занятия по обучению незрячих ориентированию по средствам GPS, где занимались 4 человека.

Местом проведения состязаний был выбран городской парк культуры и отдыха. Наш выбор на этом парке остановился не случайно: асфальтированные дорожки, множество перекрёстков, отсутствие автомобильного движения.

Непосредственно сами соревнования проходили следующим образом. Предварительно были отмечены пять точек на расстоянии не менее 200 - 250 метров друг от друга: старт, первая контрольная точка, вторая контрольная точка, третья контрольная точка и финиш. Каждый из участников получил эту базу непосредственно перед началом состязаний. Была проведена жеребьёвка. Участники стартовали поочерёдно, в соответствии со своим порядковым номером, с промежутком во времени 3 минуты. На каждой из трёх контрольных точек стоял человек с остаточным зрением, который, по достижению участником отмеченного объекта, вручал ему определённый знак. По достижению второй контрольной точки участник был обязан предъявить знак, полученный на первой точке, и только после этого получал фигурку. Аналогично и на третьем объекте. Таким образом, соревнующиеся должны были пройти маршрут в том порядке, который был предусмотрен организаторами. Из шести стартовавших к финишу пришли 4 человека. Основной причиной схода с дистанции двух участников стали психологический настрой, слабое знание своего телефона и программы "Loadstone" в частности. Победителем первых соревнований по GPS-навигации в городе Бугульма стал Александр Абуладе, на втором месте - Ильшат Тимкин, на третьем - Пётр Жигулин.

Практически каждый из спортсменов после окончания соревнований отмечал необходимость дальнейшего развития и более глубокого изучения этих технологий. Мероприятие такого плана в нашем городе прошло впервые, возможно, были какие-то недочёты, возможно, было не всё предусмотрено. Но мы, организаторы, сделаем выводы, проанализируем все моменты, сделаем всё возможное, чтобы эти соревнования стали традиционными, постараемся привлечь большее количество людей. Ведь незрячий, овладевший основными тонкостями GPS-навигации и применяющий их в своей повседневной жизни, чувствует себя на порядок увереннее, гораздо меньше зависит от окружающих.

Дополнительная информация



Распространение материалов сайта означает, что распространитель принял условия лицензионного соглашения.
Идея и реализация: © Владимир Довыденков и Анатолий Камынин,  2004-2018