From Wikipedia, the free encyclopedia
Το σύστημα πλοήγησης οχημάτων βασίζεται στα διάφορα δορυφορικά συστήματα εντοπισμού θέσης (GNSS, Global Navigation Satellite System) όπως το GPS. Αποτελείται από ένα σύνολο συσκευών που, συνεργαζόμενες έχουν ως αποτέλεσμα την καθοδήγηση του οδηγού του οχήματος έτσι, ώστε, μέσω ηλεκτρονικού χάρτη καθοδήγησης να φτάσει στον προορισμό του.
Το σύστημα αυτό βασίζεται σε ένα σύνολο δορυφόρων το οποίο, ως αρχικός οδηγός, δίνει πληροφορίες σε μια ηλεκτρονική συσκευή εγκατεστημένη στο όχημα και συνεργάζεται, με το κατάλληλο λογισμικό, με ενσωματωμένους ηλεκτρονικούς χάρτες, ώστε να μπορεί ο οδηγός να εντοπίζει σε αυτούς την θέση στην οποία βρίσκεται με το όχημά του.
Το πρώτο δορυφορικό σύστημα, ήταν ένα σύστημα που κατασκευάστηκε από τον στρατό των ΗΠΑ, το 1960. Οι δορυφόροι εγκαταστάθηκαν στις καθορισμένες τροχιές τους και μετέδιδαν (ραδιοφωνικά) σήματα σε γνωστή συχνότητα. Η λαμβανόμενη συχνότητα διαφέρει ελαφρά από τη συχνότητα ραδιοφωνικής μετάδοσης, λόγω της μετακίνησης του δορυφόρου όσον αφορά το δέκτη (φαινόμενο Doppler). Με τον έλεγχο αυτής της μετατόπισης συχνότητας σε σύντομο χρονικό διάστημα, ο δέκτης μπορεί να καθορίσει τη θέση του στην μία ή στην άλλη πλευρά του δορυφόρου. Διάφορες τέτοιες μετρήσεις συνδυάζονται με ακριβή γνώση της τροχιάς του δορυφόρου και μπορούν να καθορίσουν μία συγκεκριμένη θέση.
Ταυτόχρονα με το GPS, η πρώην Σοβιετική Ένωση προχώρησε στη δημιουργία ενός παρόμοιου συστήματος προσδιορισμού θέσης με την ονομασία GLONASS. Αρχικά, ο χαρακτήρας του συστήματος GLONASS ήταν στρατιωτικός, αντίστοιχος με το GPS, και κάλυπτε τις ανάγκες της Πρώην Σοβιετικής Ένωσης και των συμμαχικών της χωρών. Με τη διάλυση της Σοβιετικής Ένωσης και τις αλλαγές σε πολιτικό επίπεδο, η χρήση του συστήματος GLONASS άρχισε να επεκτείνεται και έξω από τα σύνορα της Σοβιετικής Ένωσης. Τα τελευταία χρόνια έχει γίνει μια σημαντική προσπάθεια για την συνεργασία των συστημάτων GPS και GLONASS, η οποία δίνει μεγαλύτερη κάλυψη της επιφάνειας της Γης για τους χρήστες των συστημάτων αυτών και μεγαλύτερο πλήθος παρατηρούμενων δορυφόρων.
Συνοπτικά, κάθε σύστημα πλοήγησης βασίζεται σε μία ή περισσότερες διαθέσιμες τεχνολογίες όπως η GPS, GLONASS, Galileo και είναι ένα δορυφορικό σύστημα προσδιορισμού θέσης (3-Δ), χρόνου και ταχύτητας για ακίνητο και κινούμενο δέκτη σε πολύ μικρό χρονικό διάστημα (από μερικά δευτερόλεπτα μέχρι λίγες ώρες ανάλογα με το είδος των εφαρμογών) παραβλέποντας κλασικές επίγειες τεχνικές που εφαρμόζονται όπως ο τριγωνισμός, ο τριπλευρισμός ή, συνήθως, ο συνδυασμός αυτών των δυο μεθόδων, που παρέχουν τις επιφανειακές ελλειψοειδείς συντεταγμένες και η υψομετρία, που παρέχει την τρίτη παράμετρο, το υψόμετρο. Βασίζεται στις αρχές λειτουργίας των παθητικών δορυφορικών συστημάτων και εξασφαλίζει συνεχή, παγκόσμια πλοήγηση ανεξάρτητα από τις καιρικές συνθήκες σε απεριόριστο αριθμό χρηστών.
Η βασική αρχή στην οποία στηρίζεται είναι ο προσδιορισμός θέσης με την μέτρηση τεσσάρων «συντεταγμένων» μεταξύ του παρατηρητή και του δορυφόρου. Γι' αυτό η σχεδίαση των τροχιών των δορυφόρων έγινε με τέτοιο τρόπο, ώστε να είναι δυνατή η παρατήρηση τεσσάρων τουλάχιστον δορυφόρων από οποιοδήποτε σημείο της γης για κάθε στιγμή. Για τον προσδιορισμό της θέσης ενός σημείου στο χώρο αρκούν οι μετρήσεις των αποστάσεων από τρία σημεία γνωστών συντεταγμένων. Βέβαια, θα αρκούσαν και τρεις δορυφόροι για τον προσδιορισμό της θέσης ενός σημείου στο σύστημα αναφοράς των δορυφόρων. Ο λόγος που απαιτούνται τουλάχιστον τέσσερις δορυφόροι (αποστάσεις) είναι για να προσδιορίζεται η διαφορά ανάμεσα στην ένδειξη του χρονομέτρου του χρήστη και την ένδειξη του χρονομέτρου του δορυφόρου, δηλαδή η καθυστέρηση του χρονομέτρου του δέκτη σε σχέση με το χρόνο αναφοράς του GPS. Ακριβώς για αυτό το λόγο της ύπαρξης αυτού του σφάλματος χρησιμοποιείται ο όρος ψευδοαπόσταση.
Ο χρόνος αναφοράς του αμερικανικού συστήματος (GPS) έχει ως σημείο έναρξης την 00.00 UTC της 5ης Ιανουαρίου 1980.
Η προσδιοριζόμενη θέση (Χ,Υ,Ζ) αναφέρεται στο Παγκόσμιο Γεωκεντρικό Σύστημα Αναφοράς 1984, γνωστό ως WGS 84. Το σήμα που εκπέμπει κάθε δορυφόρος είναι μοναδικό και εξαιρετικά σύνθετο και βασίζεται σε δυο φέρουσες συχνότητες στην περιοχή του φάσματος των μικροκυμάτων.
L1 = 154 x 10.23 = 1575.42 ΜΗz &
L2 = 120 x 10.23 = 1227.60 MHz,
πολλαπλάσιες της βασικής συχνότητας των 10.23 ΜΗz.
Γενικότερα, για την απαλοιφή συστηματικών σφαλμάτων, χρησιμοποιούνται στην επεξεργασία πέραν των δύο συχνοτήτων διάφοροι γραμμικοί συνδυασμοί τους όπως η L3 για εξάλειψη του φαινομένου της ιονοσφαιρικής διάθλασης για καλύτερη απόδοση.
Το σήμα παράγεται από την σύνθεση δυο κωδικών μοναδικών για κάθε δορυφόρο, του C/A (coarse/acquisition) που προστίθεται μόνον στον φορέα (συχνότητα) L1 και του P (ακρίβεια, precision), που διαμορφώνεται και στις δυο συχνότητες L1, L2. Οι κώδικες καλούνται και ψευδοτυχαίοι εξαιτίας του γεγονότος ότι με τη βοήθεια αυτών είναι δυνατή η μέτρηση των ψευδοαποστάσεων που προαναφέρθηκαν.
Ο δέκτης (ή αλλιώς συσκευή πλοήγησης) δέχεται το σήμα, συγκρίνει τον λαμβανόμενο κώδικα με ένα αντίγραφο που παράγει ο ίδιος και, τελικά, ταυτίζει το σήμα και ο χρόνος διαδρομής του σήματος πολλαπλασιαζόμενος με την ταχύτητα του φωτός c παρέχει την απόσταση μεταξύ δέκτη και δορυφόρου. Αυτή η απόσταση είναι η ψευδοαπόσταση και δεν περιλαμβάνει την χρονική ολίσθηση μεταξύ χρονομέτρων δέκτη και δορυφόρου, η οποία προστίθεται σαν επιπλέον άγνωστος στην τελική εξίσωση υπολογισμού.
Παρακάτω, αναφέρονται τα αίτια που μπορούν να προκαλέσουν σφάλματα σε ότι αφορά στην θέση του δέκτη, καθώς και το μέγεθος του σφάλματος σε μέτρα.
Αίτιο (Σφάλμα σε μέτρα)
Οι μετρήσεις με δορυφορικό σύστημα εντοπισμού διακρίνονται σε δυο βασικές κατηγορίες, ανάλογα με το αν βασίζονται σε μετρήσεις:
- ψευδοαποστάσεων
- φάσεων.
Ακριβέστερες από αυτές, είναι οι μετρήσεις φάσεων.
Στις μετρήσεις φάσεων μετράται η διαφορά φάσης του σήματος του δορυφόρου την στιγμή εκπομπής με την φάση του σήματος του δέκτη τη στιγμή της λήψης. Η διαφορά φάσης, σε κύκλους πολλαπλασιαζόμενη με το μήκος κύματος λ μετατρέπεται σε απόσταση.
Τη στιγμή της λήψης ο δέκτης μετράει μόνο το κλασματικό μέρος της φάσης μιας και δε μπορεί να μετρήσει και τον ακέραιο αριθμό κύκλων που αντιστοιχεί στην απόσταση δορυφόρου-δέκτη. Επομένως, οι μετρήσεις φάσης παρουσιάζουν το πρόβλημα της αβεβαιότητας στον προσδιορισμό αυτού του ακέραιου αριθμού Ν, κάτι το οποίο λύνει με συγκεκριμένο αλγόριθμο ο κάθε δέκτης στην έναρξη των μετρήσεων.
Σε τυχόν αδυναμία λήψης του σήματος χάνεται ένας αριθμός ακέραιων κύκλων με συνέπεια όλες οι επόμενες μετρήσεις να είναι μετατοπισμένες κατά τον ίδιο αριθμό κύκλων. Το πρόβλημα αυτό (ολίσθηση κύκλων) αντιμετωπίζεται όπως και η ασάφεια των ακέραιων κύκλων από το δέκτη κατά την προεπεξεργασία. Ο συνδυασμός μετρήσεων φάσης και κώδικα θεωρείται ο ιδανικότερος για τον εντοπισμό της ολίσθησης των κύκλων.
Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι βελτίωσης της ακρίβειας θέσης που μπορεί να παρέχει ένα σύστημα GNSS (GPS, GLONASS, Galileo κ.α.). Οι μέθοδοι αυτές χρησιμοποιούν επίγειες βάσεις (RTK) ή ιδιωτικά ή ελεύθερα διαθέσιμα δορυφορικά συστήματα όπως τα DGPS, WAAS, EGNOS, SBAS, Starfire, OmniSTAR κ.α.
Βασίζεται σε επίγειους σταθμούς οι οποίοι εκπέμπουν σε FM ή ΑΜ. Δεν μπορούν όλοι οι δέκτες να εκμεταλλευτούν αυτό το σήμα. Η εμβέλεια των σταθμών φτάνει ως και 600 χλμ. Οι σταθμοί κρατούν στατιστικά στοιχεία για τη θέση των δορυφόρων, έτσι ώστε μπορούν να διορθώνουν τα σφάλματα στο σήμα και τα εκπέμπουν προς τους δέκτες ώστε εκείνοι να διορθώσουν αντίστοιχα τους υπολογισμούς. Με τον τρόπο αυτό, η ακρίβεια φτάνει τα 3 - 5 μέτρα.
Η μέθοδος RTK (Real Time Kinematic / Σχετικός κινηματικός προσδιορισμός) είναι κινηματικός προσδιορισμός, στην οποία χρησιμοποιούνται δύο δέκτες (base – rover) L1/L2, και είναι η μοναδική που μπορεί να δώσει αποτελέσματα καθώς και πληροφορίες για την ποιότητα της λύσης σε πραγματικό χρόνο. Για τη λειτουργία της μεθόδου, απαιτείται επικοινωνία μεταξύ των δεκτών, η οποία πραγματοποιείται είτε με κάποιο μόντεμ UHF είτε με κάποιο μόντεμ GSM/GPRS. Ο κινητός δέκτης (rover) λαμβάνει συνεχώς διορθώσεις από τη σταθερή βάση (base), η οποία διαθέτει ακριβή δεδομένα της θέσης της, και τις χρησιμοποιεί για να επιλύσει εν κινήσει (On The Fly) τις ασάφειες φάσης. Πλέον, ο χρήστης μπορεί να αποτυπώνει σε περιοχές περιορισμένης ορατότητας σε δορυφόρους (φυσικά ή τεχνητά εμπόδια) χωρίς να χάνεται χρόνος για επανέναρξη. Η ακρίβεια της συγκεκριμένης μεθόδου είναι της τάξης του εκατοστού και ο χρόνος που χρειάζεται για υπολογισμό νέας θέσης είναι της τάξης του 1 δευτερολέπτου.
Το αμερικανικό σύστημα ονομάζεται GPS (παλαιότερα ονομαζόταν NavSTAR GPS) αποτελείται από 28 τεχνητούς δορυφόρους που μεταδίδουν ακριβή σήματα συγχρονισμού σε ραδιοφωνικούς ηλεκτρονικούς δέκτες GPS οι οποίοι επιτρέπουν να καθορίσουμε ακριβώς μία θέση (γεωγραφικό μήκος, γεωγραφικό πλάτος, ύψος) ημέρα ή νύχτα, με οποιοδήποτε καιρό.
Από τότε που το GPS έγινε πλήρως λειτουργικό το 1993, έχει γίνει εργαλείο ζωτικής σημασίας και σφαιρικής χρησιμότητας, αρκετά χρήσιμο στο αυτοκίνητο και ακόμα πιο αναγκαίο για την σύγχρονη ναυσιπλοΐα. Το GPS επίσης παρέχει και ακριβείς χρονικές αναφορές, που απαιτούνται για κάποιες επιστημονικές έρευνες, συμπεριλαμβανομένης και της μελέτης των σεισμών.
Το σύστημα αύξησης εκτενών ζωνών (WAAS), διαθέσιμο από τον Αύγουστο του 2000, αυξάνει την ακρίβεια του GPS στα 2 μέτρα, για τους συμβατούς δέκτες.
Το σύστημα WAAS αποτελείται από 25 επίγειους σταθμούς στη Βόρεια Αμερική. Παρέχει διορθωτικά δεδομένα τα οποία μεταδίδονται από έναν κεντρικό επίγειο σταθμό πίσω στους δορυφόρους και από τους δορυφόρους στους δέκτες. Αυτό σημαίνει ότι ο δέκτης GPS δεν χρειάζεται να βρίσκεται κοντά σε κάποιον επίγειο σταθμό για να εκμεταλλευτεί τα δεδομένα αυτά.
Τα σήματα μεταδίδονται όπως και στο βασικό GPS, άρα δεν χρειάζεται να υπάρχουν ειδικά κυκλώματα στον δέκτη.
Οι γεωστατικοί δορυφόροι που υποστηρίζουν το WAAS (τελευταία πληροφόρηση 02/2004) είναι πάνω από τον Ειρηνικό και τον Δυτικό Ατλαντικό και καλύπτουν τη Βόρεια Αμερική.
Παρέχει, ωστόσο, λίγες δυνατότητες όταν χρησιμοποιείται έξω από την περιοχή κάλυψης των επίγειων σταθμών. Σε αρκετά μακρινές περιοχές (όπως στην Αυστραλία) έχει παρατηρηθεί ότι οι διορθώσεις του WAAS έχουν προκαλέσει λάθη στους υπολογισμούς και συνεπώς απόκλιση στην θέση του δέκτη.
Η ακρίβεια μέσω της διόρθωσης φτάνει τα 2 - 3 μέτρα.
Το ρωσικό σύστημα GLONASS άρχισε να αναπτύσσεται, για τις ανάγκες του σοβιετικού στρατού, το 1976. Τέθηκε σε πλήρη λειτουργία το 1995.
Το σύστημα Galileo αυτό δημιουργήθηκε για τις ανάγκες της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Βρισκόταν σε δοκιμαστική περίοδο ήδη από το 2000 και μπήκε κανονικά σε λειτουργία από το 2016[1].
Τα δορυφορικά συστήματα επιτρέπουν στις μικρές ηλεκτρονικές συσκευές να καθορίσουν θέσεις (γεωγραφικό μήκος, γεωγραφικό πλάτος και ύψος) μέσα σε μερικά μέτρα χρησιμοποιώντας τα χρονικά σήματα που μεταδίδονται με ραδιοσυχνότητες από τους δορυφόρους. Οι δέκτες στο έδαφος σε σταθερή θέση βέβαια, μπορούν να χρησιμοποιηθούν και για επιστημονικά πειράματα που χρειάζεται ορισμός θέσεως.
Για να έχουμε έναν πλοηγό στο αυτοκίνητο, αρκεί να εφοδιαστούμε με μία κατάλληλη συσκευή που να έχει ενσωματωμένο GPS. Από τη δεκαετία του 1990, πολλοί κατασκευαστές αυτοκινήτων άρχισαν να τοποθετούν στην κεντρική κονσόλα του αυτοκινήτου μία οθόνη, η οποία εκτός από τις λειτουργίες που αφορούν στο αυτοκίνητο (ραδιόφωνο, κατανάλωση, υπολογιστής ταξιδιού κτλ.), μπορεί να μετατραπεί και σε πλοηγό. Για να γίνει βέβαια αυτό, πρέπει ο κατασκευαστής να έχει εφοδιάσει το όχημα με τον απαραίτητο εξοπλισμό (GPS, μονάδα, κεραία κτλ). Το μόνο που πρέπει να κάνει ο οδηγός, είναι να ενσωματώσει στη συσκευή με κάποιον τρόπο τους χάρτες που τον αφορούν.
Αν ο κατασκευαστής δεν έχει εξοπλίσει με κάτι τέτοιο την συσκευή, ο οδηγός θα πρέπει να εφοδιαστεί με συσκευή-πλοηγό (φορητό υπολογιστής τσέπης / pocket pc), ρολόι ή κινητό τηλέφωνο) και να το τοποθετήσει σε κάποιο βολικό για την παρακολούθησή του σημείο στο εσωτερικό του αυτοκινήτου, ώστε να καθοδηγείται από αυτό. Το πλεονέκτημα του μηχανήματος αυτού είναι ότι με το να είναι φορητό, εκτός από το αυτοκίνητο, μπορεί να χρησιμοποιηθεί από τον κάτοχο του και αλλού, όπως σε ένα σκάφος, σε δεύτερο αυτοκίνητο, στο σπίτι (αν είναι υπολογιστής) κτλ.
Διάφορες μετρήσεις μπορούν να γίνουν συγχρόνως σε διάφορους δορυφόρους, επιτρέποντας με μια συνεχή αποτύπωση στον δέκτη και να παραχθούν στον πραγματικό χρόνο.
Κάθε απόσταση μέτρησης, ανεξάρτητα από το σύστημα που χρησιμοποιείται, τοποθετεί το δέκτη σε μια σφαιρική θέση σε συγκεκριμένη απόσταση από τον εκφωνητή. Με τη λήψη διάφορων τέτοιων μετρήσεων και την έρευνα ενός σημείου όπου συναντιούνται, παράγεται μια αποτύπωση. Εντούτοις, στην περίπτωση των γρήγορων δεκτών, η θέση του σήματος κινείται όπως τα σήματα παραλαμβάνονται από διάφορους δορυφόρους. Επιπλέον, τα ραδιοκύματα παρουσιάζουν επιβράδυνση καθώς περνούν μέσω της ιονόσφαιρας, αυτή η επιβράδυνση ποικίλλει ανάλογα με τη γωνία του δέκτη στο δορυφόρο, επειδή αλλάζει η απόσταση μέσω της ιονόσφαιρας.
Ο βασικός υπολογισμός προσπαθεί έτσι να βρει την πιο σύντομη κατεύθυνση της εφαπτομένης γωνίας στους 4 πόλους που τοποθετούνται σε 4 δορυφόρους.
Οι δορυφορικοί δέκτες πλοήγησης μειώνουν τα λάθη με τη χρησιμοποίηση των συνδυασμών σημάτων από τους πολλαπλάσιους δορυφόρους και έπειτα την χρησιμοποίηση των τεχνικών όπως το φιλτράρισμα Kalman, για να περιοριστεί ο θόρυβος.
Η λειτουργία ενός συστήματος πλοήγησης αυτοκινήτου έχει ως εξής:
Σε όλη τη διαδρομή επίσης μπορεί να παίρνει πληροφορίες για την απόσταση και το χρόνο μέχρι τον προορισμό, την ταχύτητα με την οποία κινείται το όχημα, καθώς και το υψόμετρο που βρίσκεται .
Τα περισσότερα συστήματα πλοήγησης συνδυάζουν την λειτουργικότητα με τη διασκέδαση. Με έναν τέτοιο δέκτη, μπορεί κανείς να παρακολουθεί ταινίες και βίντεο κλιπ, να ακούει τραγούδια, να συνδέεται στο Διαδίκτυο, ως και να παρακολουθεί τηλεοπτικές εκπομπές.
Επίσης, σημαντικό είναι να τονιστεί ότι ανάλογα με το πρόγραμμα πλοήγησης που έχει επιλεγεί για τη συσκευή, είναι δυνατή η ενημέρωσή του με διάφορα πρόσθετα που προσφέρονται από το λογισμικό, που παρέχουν ορισμένες διευκολύνσεις. Τέτοια είναι διάφορα σημεία ενδιαφέροντος ανά περιοχές, επικίνδυνα σημεία δρόμων, διάφορα καταστήματα, κέντρα διασκέδασης, τράπεζες, σταθμοί βενζίνης, ξενοδοχεία, σχολεία, αθλητικά κέντρα, δημόσιες υπηρεσίες και πολλά άλλα ανάλογα με το πρόγραμμα και τις δυνατότητες του.
Για να επιλέξει κανείς τον κατάλληλο δέκτη, αν δεν είναι εφοδιασμένο το αυτοκίνητό του εξ' αρχής, θα πρέπει αρχικά να έχει αποφασίσει τι ακριβώς θέλει να κάνει με την συγκεκριμένη συσκευή εκτός από την χρήση του σαν πλοηγό (π.χ. κινητό τηλέφωνο ή υπολογιστής). Στη συνέχεια, το κόστος της κάθε συσκευής είναι σημαντικός παράγοντας για την τελική επιλογή και επηρεάζει τον κάθε υποψήφιο αγοραστή.
Όλες οι συσκευές αυτού του είδους συνοδεύονται με μία βάση, η οποία τοποθετείται στο όχημα σε κάποιο ορατό για τον οδηγό σημείο, χωρίς όμως να τον εμποδίζει κατά την οδήγηση. Αυτό σημαίνει ότι θα πρέπει να έχει λάβει κάνεις υπόψη του το χώρο που του παρέχεται και το μέγεθος της συσκευής.
Τέλος, το πιο σημαντικό στο όλο σύστημα είναι το λογισμικό με το οποίο θα εφοδιαστεί η συσκευή. Το πρόγραμμα πλοήγησης θα πρέπει να καλύπτει τις απαιτήσεις του χρήστη σε ότι αφορά στην χρήση του, να είναι εφοδιασμένο με τους κατάλληλους, ενημερωμένους χάρτες, καθώς και να υποστηρίζεται με αναβαθμίσεις (συνήθως μέσω Διαδικτύου) για να μπορεί πάντα να δίνει σωστές πληροφορίες. Επίσης, στις αναβαθμίσεις συμπεριλαμβάνονται και όσες αφορούν στα πρόσθετα που ίσως έχουν τοποθετηθεί στο δέκτη, γιατί και αυτά χρειάζονται συχνή ενημέρωση.
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
