Механические сенсоры перемещения. Принципы работы глобальной системы ориентирования и сенсоры GPS

3.3. Сенсоры GPS

Описанные GPS-приемники – это интеллектуальные сенсоры, первичным сигналом для которых является пространственное положение самого приемника в системе координат GPS. Ведь именно оно определяет времена запаздывания радиосигналов от навигационных спутников. Т.е. по физической природе первичного сигнала GPS-приемники являются механическими сенсорами. А вот по принципу действия их часто относят к электромагнитным сенсорам.

Дальнейшим существенным их развитием являются " GPS навигаторы ". Это специализированный навигационный прибор, который обеспечивает ориентацию в незнакомой местности, помогает планировать наилучшие маршруты движения, выбирать ориентиры, запоминает важную для Вас информацию о маршруте и так далее. Наряду с GPS приемником, в его состав входят также цветной дисплей и память с картографической информацией.

Можно выделить такие 3 группы GPS навигаторов: портативные ( карманные ), автомобильные и профессиональные.

Слева на рис. 3.3 показан пример карманного GPS навигатора. Такие навигаторы обычно имеют небольшие габариты и массу, водонепроницаемый, стойкий против ударов корпус и рассчитаны на туристов, рыбаков, геологов, путешественников, охотников, грибников и других массовых пользователей. Цветной дисплей в таких навигаторах небольшой, но всё же достаточный для вывода на него GPS карты местности. Для хранения картографической информации применяют флэш-память с картографической информацией о нужном Вам регионе, которую надо приобретать отдельно. Если она имеется, то GPS навигатор после автоматического определения своих географических координат выведет на экран дисплея карту участка окружающей данный географический пункт местности в заданном Вами масштабе. На карте будет указано место Вашего пребывания и самые приметные ориентиры на местности, если таковые имеются. По Вашему указанию GPS навигатор может запомнить и показать на карте весь Ваш маршрут с отметками времени, зафиксировать координаты мест, которые Вы намерены еще раз посетить в будущем. Если Вы зададите координаты или укажете на карте место, к которому Вы направляетесь, то навигатор рассчитает и покажет на карте оптимальный маршрут движения с учетом имеющихся на местности препятствий (реки, ручьи, болота, овраги, горы, запретные зоны и т.п.).

Рис. 3.3. Примеры GPS навигаторов: слева – портативный; справа – автомобильный

Некоторые портативные GPS навигаторы оснащены также электронными барометром и компасом, которые помогут Вам правильно оценить погоду и сориентироваться по сторонам света.

Автомобильные GPS навигаторы существенно крупнее, имеют больший размер экрана ( рис. 3.3 справа), размещаются на панели управления автомобилем. Их картографические возможности значительно расширены: имеется богатый набор масштабов карты, указывается ценная для автомобилистов информация о размещении стоянок, автоинспекций, станций заправки горючим, ограничений скорости и т.п. Дисплей, как правило, сенсорный, имеются средства голосовых подсказок. Действуют программы прокладки альтернативных и расчета оптимальных маршрутов. Измеряя доплеровские сдвиги частоты сигналов от спутников, автомобильный навигатор может вычислить направление и скорость движения автомобиля и вывести эти данные на дисплей, своевременно сигнализировать водителю об опасности превышения предельно допустимой скорости.

Профессиональные GPS навигаторы используются в авиации, на океанских, морских и речных судах, локомотивах, автобусах, на больших грузовых автомобилях дальнего следования. Кроме указанных уже выше функций, они также поддерживают постоянную радиосвязь со своими диспетчерскими пунктами, не загружая экипаж, собирают и автоматически передают диспетчерам информацию от некоторых важных сенсоров. Благодаря этому диспетчеры имеют оперативную и полную информацию о состоянии всей своей транспортной сети, могут своевременно реагировать на непредвиденные ситуации, изменять и оптимизировать маршруты, минимизировать риски, порожние пробеги и т.п.

Уже накоплен положительный опыт применения авиационных GPS навигаторов для вынужденной "слепой" посадки самолетов. В этом случае на экран авиационного навигатора крупным планом выводится карта местности с выделением нужной взлетно-посадочной полосы, и на этой карте по данным GPS непрерывно отображается траектория полёта, текущее положение и направление движения самолета. И при отсутствии видимости пилот выполняет посадку, ориентируясь именно на эту карту. Точность посадки зависит от точности GPS определения координат и от точности картографической информации, имеющейся в навигаторе. Точность определения координат в таком навигаторе должна составлять порядка 1 дм. В большинстве случаев отклонения от осевой линии посадочной полосы не превышают 30-50 см. Стоимость навигаторов и своевременного обновления картографических данных о взлетно-посадочных полосах на порядки меньше, чем стоимость современных специализированных систем "слепой" посадки, приобретение которых могут позволить себе только крупные аэропорты.

GPS приемники нашли эффективное применение и в геодезии – от общегосударственных и межгосударственных геодезических сетей до обычной инвентаризации земельных участков. Например, одна из французских фирм при составлении кадастра земель бывшей французской колонии Майоте с помощью технологии GPS сумела выполнить все необходимые геодезические измерения на территории площадью 375 кв. км всего за 15 суток. При работе старыми методами на это ушло бы около 15 лет! В российской организации АО "ЗапУралТИСИЗ" с использованием такой технологии два специалиста-геодезиста за 5 дней выполнили триангуляцию из 15 пунктов всей геодезической сети в г. Уфа. По прежней технологии такую работу выполняла бригада из 5 специалистов не менее чем 2 недели.

GPS приемники позволили также по-новому решить задачу передвижения слепых людей. В составе портативного интеллектуального навигатора для слепых, который размещается в рюкзаке человека, GPS приемник вычисляет текущие координаты. На голове у слепого человека в специальном шлеме размещены миниатюрные электронные компас и гироскоп, определяющие направление поворота головы, 4 маленькие видеокамеры и звуковой сигнализатор с передачей звука на кости черепа. Уши остаются свободными, чтобы сохранить важную для ориентации слепых возможность хорошо слышать происходящее вокруг. Слепой человек голосом называет интересующий его пункт назначения. Языковая программа, настроенная на его голос и на множество из 30-40 возможных пунктов назначения, расшифровывает это звуковое сообщение. Дальше микрокомпьютер навигатора планирует маршрут и начинает "вести" слепого. Он указывает слепому направление движения посредством имитации звука звонка, исходящего якобы с того направления, в котором следует двигаться. Если голова человека повернута в другом направлении, то он слышит звонок сбоку, поворачивается в сторону звонка и движется в указанном направлении. Портативные видеокамеры постоянно отслеживают окружающую обстановку и своевременно предупреждают слепого о появившихся преградах. На узких улицах и внутри зданий именно они становятся основным источником информации для электронного "поводыря".

Еще одним важным применениям GPS приемников стало создание так называемых " трекеров " – интеллектуальных сенсоров для дистанционного определения GPS координат людей или предметов, на которых они установлены. Сфера их применения – это повышение безопасности и ускорение поиска детей, престарелых, больных на амнезию и других людей, теряющих ориентацию, а также животных, похищенных автомобилей, ценных грузов. Один из таких трекеров TR-102 показан на рис. 3.4. В нем применяется высокочувствительный миниатюрный GPS приемник "SiRF Star III", который воспринимает даже слабые отраженные сигналы от навигационных спутников и способен определять GPS координаты даже при значительном экранировании прямых сигналов зданиями, горами и т.п. Трекер поддерживает прямую мобильную радиотелефонную связь с 10 предварительно запрограммированными телефонными номерами. Каждый из этих абонентов в любое время может связаться с трекером, отправив ему SMS запрос. И трекер в ответном SMS сообщении передаст свои текущие координаты.

Рис. 3.4. Трекер TR-102

Если у запрашивающего имеется компьютер с картографической программой, то она поможет увидеть на экране монитора карту участка местности, в которой находится отслеживаемый объект, и место нахождения трекера. На трекерах, предназначенных для ношения людьми, имеется кнопка экстренного вызова (SOS), при нажатии на которую трекер отправляет на указанные в его памяти 3 телефонные номера сигнал тревоги и SMS сообщение с указанием своих координат. Есть также 3 кнопки быстрого соединения с этими номерами. В память трекера можно занести значение временного интервала, по истечении которого трекер будет отправлять SMS сообщение своих координат автоматически.