Навигация. Путь в пространстве
Навигация и история ее рождения
С самой древности человек стремился придумать способы ориентации в пространстве. Явление магнетизма натолкнуло его на создание компаса. Это был простейший прибор, состоявший из сосуда с водой и плавающей в нем дощечкой с частицей каламита – природного магнитного минерала. И он всегда показывал на север. Это была первая навигация.
Люди разобрались: для точного определения координат требовались компас, карты и часы. Со всем этим в те времена были большие проблемы. Изобретение в XVIII веке точных механических часов с погрешностью в 3-5 секунд в сутки продвинуло навигацию далеко вперед. И так продолжалось до XX века.
В 20-х годах прошлого века появились примитивные приборы, из которых впоследствии родились современные навигаторы. В них, в зависимости от скорости движения, необходимо было подкручивать рулонные карты, – вручную или автоматически, как на первом автомобильном навигаторе 30-х годов.
60-е годы XX века ознаменовались бурным ростом технологий электронных приборов навигации. Это были уже сложные вычислительные устройства, работавшие с перфокартами. Японская компания Toyota создала комплексную систему координации автомобильного движения в городе, объединив уличные приборы слежения за трафиком с приборами, установленными в автомобилях. Это помогало водителям ориентироваться в пробках и сложной дорожной ситуации.
Космическая навигация зародилась в Советском Союзе запуском первого спутника Земли в 1957 году. Американцы, наблюдая за его перемещением по орбите, заметили изменение частоты сигнала приближающегося и удаляющегося спутника. Это был так называемый эффект Доплера. На этом принципе в 1974 году они разработали первую систему спутниковой навигации вначале для военного, а затем и гражданского использования.
Принцип работы спутниковой навигации
Систему назвали GPS, т.е. системой глобального позиционирования. Она должна состоять не менее чем из 24 спутников, находящихся на высоте 20 тыс.км. для охвата сигналом всего земного шара. Сейчас их у американцев 32 штуки. СССР тоже не стоял на месте. В 1976 году он начал разрабатывать свою систему под названием ГЛОНАСС. В 1982 году на орбиту были выведены первые спутники. В 1993 году их было 12, а с 1995 года и по настоящее время она насчитывает 24 единицы.
Спутники расположены на шести орбитах под углом 60° друг к другу с целью охвата всех 360° пространства. На каждой орбите находятся 4 спутника с временем оборота вокруг Земли в 12 часов. Такое распределение позволяет с любой точки Земли «видеть» не менее четырех спутников. Все спутники 50 раз в секунду подают сигналы идентификации, местоположения и времени. Принцип работы состоит в рассчете координат на основе смещения по времени сигнала от каждого спутника. Для безупречной работы спутников должно быть не менее трех. Самое главное здесь – точнейшие атомные часы. Вся навигация основана на них.
Создание автомобильных навигаторов
Коммерческие компании создавали свои системы навигации. Японская Honda разработала навигатор на принципе гироскопа. К такому прибору требовались сменные карты на прозрачном пластике. В середине 80-х США выпустили первый навигатор с электронными картами, загруженными на магнитную ленту. Координаты в нем рассчитывались по данным электронного компаса и датчиков скорости.
В 1983 году США открывают технологии GPS для гражданского пользования. И только в 1994 году приборы навигации становятся достаточно компактными для установки их в автомобилях. Это были уже устройства, близкие по параметрам к сегодняшним. Тогда же появляется устройство, работающее как с GPS, так и с ГЛОНАСС.
В гражданские приборы GPS военными была встроена специальная загрубляющая поправка, которая в 2000 году была отменена. После этого появилось множество разных навигационных гаджетов.
Появились навигаторы с загрузкой карт на CD, а чуть позже – на жесткий диск. С такими картами можно было строить длинные маршруты. Повсеместный доступ в интернет позволил делать системы, которые грузили карты в реальном времени с реальной дорожной обстановкой. С такими технологиями автомобильные компании начали попытки сделать полный автопилот. В настоящее время они с большим или меньшим успехом продолжаются.
Обзор навигационных систем
Сейчас в мире разработаны и действуют четыре основные системы навигации. Это: GPS (США), ГЛОНАСС (Россия), GALILEO (Европа) и BEIDOU (Китай).
Все они используют один базовый принцип – определение координат через измерение расстояний до объекта минимум от спутников. Расстояние вычисляется по времени задержки прохождения сигнала от спутника до приёмника, например в автомобиле или на корабле.
Системы отличаются в основном параметром точности. Так GPS «врет» на 2-4 метра, а ГЛОНАСС – на 2-6 метров. Обе обещают повысить точность в будущем: допустимое отклонение у GPS будет 0,5-1,0 метр, а у ГЛОНАСС – 0,1 метра. Кроме того, существует параметр покрытия. GPS работает практически везде по миру; ГЛОНАСС покрывает 100% российской территории и до 70% мировой.
Европейская система GALILEO уже сейчас достигает точности позиционирования до 1,0 метра и, в отличие от соперников из США и Росии, имеет функцию обратной связи при сигнале бедствия от пользователя.
Китайская BeiDou успешно развивается и вышла на международный уровень предоставления услуг. Она имеет на орбитах 20 спутников, которые дают возможность позиционировать объект с точностью 5,0 метров в Азии и 10,0 метров на остальной территории планеты. Китайцы активно работают над повышением точности системы.
Что такое навигация от Яндекса?
Кроме чисто спутниковой навигации в последнее время активно развивается смешанная. Она использует сразу ряд источников пространственной информации: GPS, ГЛОНАСС, данные базовых станций сотовой сети и Wi-Fi.
Алгоритм действия следующий. Сначала смартфон выясняет свое собственное местонахождение в пространстве, используя любой из вышеназванных доступных источников, и сообщает его интернет-сервису. Тот подгружает ее в навигатор в соответствии с запросом пользователя. При этом искусственный интеллект системы пытается понять направление движения заявителя маршрута и подсказывает ему правильное. Такая технология позволяет найти координаты начальной точки даже в закрытом пространстве: в здании, на подземной парковке и в метро, если там работает сотовая сеть.
Как только пользователь назначил маршрут из одной точки в другую, система быстро перебирает большое количество вариантов и выдает два или три самых оптимальных. Если на выбор предложить больше, то пользователь может просто запутаться.
Такой навигатор работает в режиме реального времени, четко отслеживает пробки, аварии, заторы на дороге, ремонтные работы. Он безошибочно знает: где и куда можно поворачивать, и куда – нельзя. Он видит все светофоры, количество полос движения, разрешенную скорость, камеры контроля и многое другое.
В процессе движения навигатор время от времени может давать рекомендации по смене маршрута на более оптимальный, если дорожная ситуация позволяет или вынуждает сделать это.
В последнее время Яндекс.Навигатор научился показывать места для парковки. Правда, в этом сервисе еще достаточно белых пятен из-за сложности предсказать динамику трафика и то, как долго, например, освободившееся место на парковке будет оставаться свободным. Тем не менее, разработчики активно работают над этими проблемами. Навигация развивается дальше.
