Глобальная система навигации (GPS)

С 1974 п до 1979 г во время испытаний шесть спутников позволяли обеспечить навигацию в Север­ ной Америке в течение только четырех часов в день. Этот опыт был распространен на весь мир с использованием одиннадцати спутников вплоть до 1982 г, когда было решено, что система будет расширена до двадцати четырех спутников на шести орбитах, то, есть с четырьмя действующими спутниками на каждой. Эти орбиты не являются симметричными и могут изменяться. Спутники летают на высоте около 21 ООО км (13 ООО миль) и совершают оборот вокруг Земли приблизительно за двенадцать часов. Данная система была разработана американским Министерством обороны. Использование зашифрованного кода позволяет позиционировать местоположение объекта на поверхности земли в пределах нескольких сантиметров. Сигнал для гражданского использования искусственно закруглен таким образом, чтобы точность позиционирования находились в пределах 50 м. Спутники GPS посылают синхронизированную информацию пятьдесят раз в секунду. Передаются данные положения орбиты, сигналы времени и идентификации. Навигационный компьютер в транспортном средстве получает сигналы от восьми спутников. При вычислениях учитывается время распространения сигнала от каждого спутника. На основе этой информации компьютер может вычислить расстояние до каждого спутника. Текущее местоположение транспортного средства может быть определено при использовании трех координат. Представьте три спутника, образующие треугольник, - положение транспортного средства в пределах этого треугольника может быть определен. если известно расстояние до каждого угла (спутника).

Каждый из спутников имеет четверо очень точных атомных часов, которые синхронизируются с помощью связи между спутниками. Навигационные компьютеры также имеют собственные часы, и, чтобы учесть различие между спутниковым и компьютерным временем, дополнительно измеряется расстояние до наиболее отдаленного спутника. Главные компоненты навигационной системы показаны на рис. 13.31. Карты, я также названия городов и дорог хранятся в основном блоке автомобиля на CD-ROM. Там же хранится информация об основных маршрутах и меню, звуковые и текстовые. Блок монтируется в багажнике или пол пассажирским сидением. В дополнение к GPS операционный блок управления ICE-системой.

Навигационный блок обрабатывает следующие сигналы:

♦ от датчика магнитного поля или от датчика угла поворота (в зависимости от версии);

♦ от датчиков скорости колеса системы ABS;

♦ информацию- от системы позиционирования GPS;

♦ данные с CD-ROM:

♦ информацию от выключателя света заднего хода.

Датчики скорости колеса передают в систему информацию о пройденном расстоянии. При этом используются датчики на пассивных колесах, по­ тому что ведомые колеса проскальзывают при ускорении. D некоторых версиях угол поворота вычисляется при сравнении сигналов с левой и правой стороны. Это не требуется, когда используется датчик угла поворота. Выключатель заднего хода используется потому, что сигналы от датчиков скорости колеса не указывают, едет ли транспортное средство вперед или назад. Антенна GPS получает спутниковые сигналы и усиливает их. Она монтируется под капотом перед ветровым стеклом или в другом подобном месте. Датчик магнитного поля (если используется) обычно располагается сверху заднего окна в герметичном корпусе. Компас определяет направления движения относительно магнитного поля Земли. Он также обнаруживает изменения направления при повороте за угол или на изгибе дороги. Две пересекающиеся пол прямым углом измерительные катушки отслеживают изменения в магнит­ ном поле Земли, потому что оно по-разному влияет на каждую из них (рис. 13.32). Направление поля Земли может быть вычислено по полярности и вели­ чине напряжения, создаваемого этими двумя катушками. Меньшая катушка возбуждения производит сигнал, который наставляет колебаться ферритовый сердечник. Сигналы от измерительных катушек меняются в зависимости от направления движения транспортного средства в магнитном поле Земли (рис. 13.33).

Одна из проблем датчика это­ го типа состоит в том, что он также подвержен действию других магнитных полей, например, создаваемых нагревателем заднего стекла. Поэтому должна быть сделана поправка на нюансы конфигурации магнитных полей автомобиля. Пьезоэлектрические элементы (см. рис. 13.33) измеряют значение ускорении вращательного движения автомобиля, то есть повороты, а элементы 2 регистрируют поперечные ускорения автомобиля (А - вертикальная ось транспортного средства).

Сигнал датчика угла попорота в соединении с сигналами других датчиков позволяет навигационному компьютеру отслеживать движение автомобиля на карте. Датчик устанавливается в основ ном блоке и заменяет магнитный компас. Датчик походит на крошечную вилку камертона, которую заставляют вибрировать с частотой около килогерца с помощью двух нижних пьезоэлектрических элементов. Верхние элементы измеряют ускорение, когда транспортное средство вменяет направление движения, потому что вращение пьезоэлементов вызывает появление на их гранях электрического заряда. Этот сигнал преобразуется в напряжение и пересылается на главный компьютер. Преимущество этого типа датчика состоит в том, что он не чувствителен к магнитным эффектам. Принципы действия и возможности системы слежения за движением автомобиля разные у разных изготовителей. Конструкции таких систем постоянно совершенствуются. На рис. 13.34 показан типичный внешний вид системы, используемой компанией Ford. Более поздняя версия дисплея и блока управления показаны на рис Л 3.35. Возможности новых моделей постоянно расширяются, но они сохраняют сходство между собой.

Обычно в системах предусмотрен вывод текста и речи на одном из множества языков. Когда в качестве языка выбран английский, доступен также выбор между метрическими и государственными единицами измерений.

Когда выбрана функции навигации (МЛV), по­ является меню, на котором представлены варианты индикации, например:

♦ ввод адреса;

♦ адресная книжка (для задания пунктов назначения);

♦ пункты по пути следования, представляющие интерес для водителя;

♦ последний пункт назначения;

♦ установки системы (в том числе режим диагностики на некоторых системах).

Вначале в систему вводится адрес пункта назначения при помощи кнопок управлении курсором. Система «предсказывает» возможное назначение по мере ввода букв, таким образом, совсем не обязательно ввалить полный адрес. Как только пункт назначения установлен, блок вычислит маршрут. Можно задать вариант выбора самого короткого или самого быстрого маршрута на каждом этапе. Инструкции сопровождении маршрута находится на дисплее и передаю ни голосом через динамики. Даже при том. что спутниковая информация обеспечивает точность позиционирования только 50 м. используя точный расчет траектории, интеллектуальная система программного обеспечения все же может привести водителя к пункту назначения с точностью до 5 м. Точный расчет траектории означает, что положение транспортного средства определяется также по сигналам датчика скорости и датчика угла поворота. Компьютер может обновить координаты положения транспортного средства. определенного но данным GPS. используя возможные положения автомобиля на сохраняемой в памяти цифровой карте. Например, когда транспортное средство приближается к перекрестку и затем делает правый поворот, комбинация данных GPS и расчета траектории позволяет определить его местоположение более точно, потому что во многих местах на карте возможно только одно определенное положение — короткие дорожки через поля не принимаются в расчет! Точный расчет траектории позволяет осуществлять навигацию даже тогда, когда спутниковые сигналы отсутствуют, однако в этом случае в систему должно быть введено стартовое положение автомобиля. Глобальные системы позиционирования используют комбинацию информации от спутников н датчиков, чтобы точно определить положение транспортного средства на цифровой карте. Тогда может быть вычислен маршрут к заданному месту назначения. Системы GPS продолжают развиваться, и через некоторое время их программное обеспечение станет еще более совершенным. Уже сей­ час, например, возможно «спросить» систему о ближайшей заправочной станции или ресторане. К тому же телематические системы все больше находят «общий язык» с автомобильными система­ ми развлечений.