Автомобильные навигационные системы

ОБЗОР

Мое первое знакомство с автомобильными навигационными системами произошло несколько лет назад, когда я училась на предпоследнем курсе политехнического института. В те времена рядом со мной за партой сидел студент-отличник, в дальнейшем получивший красный диплом, а в настоящее время работающий программистом в компании Sony в Нью-Йорке. Этот студент во время лекций по истории мировой культуры рассказывал мне про свое техническое изобретение, которое состояло из компьютера с электронной картой улиц, датчиков, регистрирующих повороты и подсчитывающих пройденное автомобилем расстояние, и еще пары-тройки мелких измерительных приборов, призванных обеспечивать входные данные для хитроумной программки, вычисляющей координаты автомобиля и наносящей его местоположение на карту в виде большой белой точки. Мой сосед по парте даже предлагал мне объединить наши усилия и смастерить опытный образец системы, чтобы затем продать ее Запорожскому автомобильному заводу (надо полагать, для оснащения “запорожцев” этими самыми приспособлениями). “Вот хочешь ты доехать из Харькова до Зеленограда, - говорил он, - а карта тебе покажет, куда ехать и где поворачивать”. Я отказалась и сейчас об этом сожалею, потому что современные автомобильные навигационные системы (АНС) представляют собой именно то, что в свое время предлагал делать мой сокурсник, за исключением такого компонента, как GPS (Global Positioning System), о котором он в ту пору еще не знал. Символично, что в самом первом номере журнала “ГИС-Обозрение”, вышедшем в 1994 г., автомобильным навигационным системам посвящено целых две новости. Первая из них гласила: “Sony Electronics начала распространение бортовой автомобильной навигационной системы GPX-1. Она включает GPS-приемник, пятидюймовый экран и цифровую дорожную картографическую систему фирмы Etak на CD-ROM. Может использоваться при определении местонахождения (навигации) и планировании маршрута”. Вторая была посвящена подписанию соглашения между Etak, Tele-Atlas Int. и Robert Bosch GmbH о совместной разработке цифровых карт автодорожной и уличной сети для Западной Европы. Другими словами, автомобильные навигационные системы известны довольно давно: идеи о них начали витать в воздухе, как только появились компьютеры, размеры которых позволяли перемещать их на транспортных средствах, конкретные же очертания подобные системы приняли с момента возникновения глобальной навигационной системы NAVSTAR, позволившей с помощью DGPS определять координаты любого объекта на земной поверхности с точностью до 2 - 3 метров.

Европа, Япония, Америка...

Японцы признают, что концепция автомобильной навигационной системы зародилась в Европе, от которой Япония, несмотря на очевидный прогресс в этой области, отставала вплоть до 1996 г. В то же время США отставали и от Европы, и от Японии: в то время как европейские и японские производители автомобилей наперебой оснащали свои продукты автомобильными навигационными системами и конкуренция на обоих рынках была весьма жесткой, американцы занимали осторожно-наблюдательную позицию, и Oldsmobile была чуть ли не единственной американской компанией, ставившей на модель 88 LSS автомобильную навигационную систему Zexel Guide-Star AVL. Объясняется это тем, что в Америке очень много хороших дорог и сравнительно небольшая плотность автомобилей, на скорость и безопасность перемещения влияют почти исключительно трафик и погодные условия - как следствие, всплеск интереса к автомобильным навигационным системам в Америке наметился только в середине прошлого года, когда появилась возможность получать карты трафика и погоды для любого региона США в режиме реального времени для планирования маршрута.

К середине 90-х годов определились основные игроки рынка АНС - ими стали европейские компании Bosch, Philips, Blaupunkt и японские Etak, Sony, Alpine и Pioneer. Как видно из списка, среди них не было фирм, разрабатывающих программное обеспечение, ГИС-компаний и гигантов автомобилестроения, а первые места заняли традиционные производители автомагнитол (причем это положение сохраняется и по сей день). Таким образом, автомобильные навигационные системы были приравнены к приемникам, магнитофонам, пылесосам и стиральным машинам. Другими словами, АНС - это бытовой прибор, а вовсе не продукт индустрии ИТ, как ни удивительно подобное звучит. Кстати, в англоязычной литературе автомобильные навигационные системы называют либо Auto-Pilot System (APS), либо Automatic Vehicle Locator (AVL), либо Car Navigation System. Сокращать последнее словосочетание почему-то не принято, хотя на сегодняшний день, по моим наблюдениям, оно наиболее употребительно. Потребности в картах, представляющих собой ключевой компонент каждой автомобильной навигационной системы, в Европе обеспечивались двумя группами компаний - консорциумом European Geographic Technologies (EGT), который возглавляла американская корпорация Navigation Technology, и альянсом, образованным компаниями Tele-Atlas и Robert Bosch (позже к ним присоединилась американская фирма японского происхождения Etak, о чем и сообщала новость номер два, процитированная выше). Первая группа выпускала навигационные карты Philips, вторая - Bosch. Обе работали сверхурочно, изо всех сил пытаясь покрыть картами как можно большее географическое пространство Европы. В те годы BMW устанавливала на свои автомобили навигационную систему Philips Carin, а Mercedes - Bosch Auto-Pilot System (на машины S-класса). Было подсчитано, что использование АНС в Европе экономит 50% времени, необходимого на то, чтобы добраться из точки A в точку B, особенно если эти точки находятся в разных странах.

Известная производством автомагнитол и кофемолок Япония в то время тоже активно рвалась вперед. Особенность развития автомобильных навигационных систем в Стране восходящего солнца заключалась в том, что эти разработки не были целиком сосредоточены в руках частных компаний, но поддерживались государством. Первой ласточкой интеллектуальных транспортных систем (к которым относится и АНС) в Японии стал проект “Полнофункциональная система управления автомобилем” (Comprehensive Automobile Control System - CACS), разрабатывавшийся Министерством международной торговли и промышленности Японии в период с 1973 по 1978 год, оценивался в 73 млн. долл. и заложил основы дальнейшего развития подобных продуктов. По его окончании некоторые наработки были использованы Министерством строительства Японии в проекте “Система автомобильной коммуникации на дорогах” (Road Automobile Communication System - RACS) и полицией страны для управления трафиком и обеспечения связи между полицейскими машинами. Позднее результаты проведенной работы были интегрированы в рамках “Системы автомобильной информации и связи” (Vehicle Information and Communication System - VICS), обеспечивающей водителя информацией о трафике на дорогах и планирующей оптимальный маршрут. Система стала доступной для потребителей в апреле 1996 г. К тому времени Япония имела на дорогах 67 млн. автомобилей, и эта поистине безграничная толпа потенциальных потребителей провоцировала яростную конкуренцию за место под солнцем. Как и любая конкурентная борьба, она приводила к снижению цен и появлению технических и технологических инноваций.    

Автомобильная навигационная система Bosh Blaupunkt Travel pilot

Одной из причин бурного развития автомобильных навигационных систем в Японии и внимания государства к этой отрасли является то, что проблемы дорожного движения в этой стране не могут быть решены лишь путем улучшения автодорог и увеличения их числа, поскольку земля здесь очень дорога, а строительство требует значительного времени. По мнению японцев, оптимизация маршрута каждого автомобиля будет способствовать снижению усталости водителей и в конечном итоге - уменьшению количества аварий и дорожно-транспортных происшествий. Дополнительным преимуществом может быть более эффективное использование топлива (а это также больная тема в бедной ресурсами Японии) и улучшение экологической ситуации. Осознав, что АНС могут сыграть значительную роль в решении всех этих проблем, Япония начала их активное, всячески поддерживаемое государством внедрение, и к 1997 г. в стране было продано более 1 млн. автомобильных навигационных систем. По данным компании Matsushita Electric, годовая емкость рынка АНС составила 460 тыс. систем в 1997 - 1998 гг. и 500 тыс. в 1998 - 1999-м (прогноз на 1999 - 2000 гг. - 600 тыс. систем).

Типы АНС

Типичная автомобильная навигационная система состоит из компьютера с CD-ROM или DVD, цветного жидкокристаллического дисплея, GPS-приемника, датчика пройденного расстояния и гироскопа. Многие АНС могут также принимать телевизионные сигналы и проигрывать музыкальные компакт-диски.

Основные функции этих продуктов заключаются в определении положения автомашины и руководстве водителем на маршруте. Последнее включает обеспечение водителя картой, вычисление расстояния и пути к месту назначения, определение и отражение на карте оптимальных маршрутов, голосовые указания и показ на дисплее поворотов и перекрестков.

На базе классификации известного японского специалиста доктора Д. К. Каханера (D. K. Kahaner), автора труда “ATIP96.049: Car Navigation System Activities in Japan”, выделяют пять поколений АНС.

- Нулевое - еще не автомобильные навигационные системы в современном понимании, а лишь воплощение первых идей и зачатков технологий. Нулевое поколение АНС использовало носители на магнитных лентах для записи карт. Сами карты были очень приблизительными и покрывали небольшие территории.

- Первое (1987 г.) - “традиционная” навигация. Отличается от предыдущего поколения тем, что в качестве носителя картографической информации в нем стали использовать CD-ROM; положение автомобиля на карте, которое в нулевом поколении навигационных систем нужно было определять путем внимательного изучения пейзажа за окном, теперь определялось с помощью датчиков - геомагнитного сенсорного устройства, датчика скорости и гироскопа; качество карт также улучшилось.

- Второе (1988 г.) - “традиционная” навигация с обратной связью. В навигационных системах этого поколения появилась возможность поиска пункта назначения (Map Matching), выдачи голосовых инструкций водителю и дополнительной информации о гостиницах и заправках.

- Третье (1990 г.) - “гибридная навигация”. В качестве инструмента определения местоположения автомобиля помимо датчиков стали использовать GPS. К информации, учитываемой при планировании маршрута, добавилась информация о трафике и о погодных условиях, включая прогноз погоды.

- Четвертое (1998 - 1999 гг.) - навигация “new age” (“новое поколение”). В последнее время появилось множество новинок, выводящих автомобильные навигационные системы на более высокий технологический уровень: это подкачка дополнительных карт через Интернет; возможность управлять автомобилем с помощью голоса; использование DVD в качестве носителя картографической информации.

Существует два типа автомобильных навигационных систем для руководства водителем на маршруте: с демонстрацией карты и без оной. Исследования по некартографическим, “слепым” системам более активно проводятся в Европе и Америке, где разглядывание карты во время движения автомобиля считается опасным. В Японии же полагают, что если выбор маршрута осуществляется системой качественно, то для того, чтобы привести машину к месту назначения, обычно не требуется частой демонстрации простых карт. Несколько лет назад я слышала про автомобиль, в котором карта с маршрутом проецировалась прямо на лобовое стекло подобно системе наведения в истребителях, но мне не удалось пока найти документальных подтверждений существования таких систем. “Слепые” АНС с голосовым управлением более распространены в Европе и Америке, чем в Японии.    

Автомобильная навигационная система AVTC-505

Второй тип (ведение водителя по маршруту с показом детальных навигационных карт) требует наличия качественного дисплея, который показывает текущее положение автомобиля, место назначения, маршрут, направление к месту назначения и т. д. Вся эта информация накладывается на базовую карту местности с нанесенными на нее автодорогами и помогает водителю выбирать правильные повороты при движении. АНС этого типа широко распространены в Японии.

Проблемы позиционирования

По методу позиционирования автомобиля современные автомобильные навигационные системы можно классифицировать следующим образом:

- навигация спутникового типа;

- навигация с помощью датчиков;

- гибридная навигация, использующая оба типа.

Спутниковая навигационная система, используя электронные карты, хранящиеся на CD-ROM или DVD, определяет местоположение на базе сигналов глобальной системы позиционирования NAVSTAR, которая была создана Министерством обороны США в 1970-х годах и представляет собой систему из 24 спутников, находящихся на шести круговых околоземных орбитах с периодом обращения 12 часов, и GPS-приемников. Орбиты спутников рассчитаны таким образом, чтобы с любой точки Земли в любое время суток было видно не менее четырех спутников. Каждый GPS-приемник, получая специальный навигационный сигнал, вычисляет расстояние до каждого из видимых спутников, измеряя время прохождения радиосигнала от спутника до приемника. После этого он путем триангуляции определяет свои пространственные координаты (широту, долготу и высоту над уровнем моря).

Так как система NAVSTAR изначально создавалась для военных целей, Министерством обороны США было разработано два кода (режима): военный и гражданский. GPS-приемник, использующий гражданский код, определяет координаты с точностью 100 метров. Более точному определению мешают многочисленные факторы, искажающие принимаемые данные: задержка радиосигналов при распространении в ионосфере и атмосфере, неточное измерение времени, переотражение радиосигналов от различных поверхностей. Кроме того, часть информации, получаемой гражданскими GPS-приемниками, искажается преднамеренно с целью предотвращения их использования в военных целях другими странами.

Возможность повышения точности определения координат связана с применением дифференциальных GPS (DGPS). Очевидно, что многие ошибки одинаковы для GPS-приемников, расположенных в пределах нескольких сотен километров друг от друга. Один из таких приемников, называемый опорной станцией, располагается в месте, координаты которого определены точно. Сравнивая известные координаты с измеренными, GPS-приемник вырабатывает поправки, и затем передает их по радиоканалу потребителям для уточнения своих координат.

Казалось бы, кому и зачем могут понадобиться датчики измерения пройденного автомобилем расстояния и гироскопы, если определить географические координаты любого объекта (а также его скорость, направление движения и многие другие параметры) не составляет особого труда. Проблема, однако, заключается в том, что для того, чтобы система работала, нужно иметь в зоне прямой видимости не менее трех спутников NAVSTAR одновременно - а в городах, застроенных высокими зданиями, это практически невозможно. Кроме того, сигнал, многократно отражаясь от стен и крыш домов, искажается. А в туннелях GPS вообще не работает. Но у спутниковой навигации есть свои преимущества: GPS легко установить на автомобиле, ошибки при ее использовании не накапливаются, DGPS обеспечивают высокую точность позиционирования и цена на GPS сейчас более чем приемлема.

Система определения местоположения автомобиля, основанная на применении датчиков, находит географические координаты по показаниям гироскопа, определяющего направление движения автомобиля и датчика расстояний, поэтому ошибки накапливаются. Таким образом, чем более длительный путь проделал автомобиль, тем больше вероятность значительной ошибки в определении координат и, следовательно, в руководстве водителем на маршруте. Гибридные системы используют оба типа позиционирования, что позволяет избежать большинства проблем.

Поставщики АНС: двухполюсный мир

Двумя крупнейшими поставщиками АНС в Японии являются Sony и Pioneer. В Европе, как уже было отмечено, разработкой, внедрением и продажей занимаются свои, европейские производители бытовой электроники. В США автомобильные навигационные системы в основном представлены американскими отделениями компаний Pioneer, Alpine и Etak, которая является подразделением Sony. Американцы интересуются главным образом трафиком, а Etak практически полностью монополизировала такую рыночную нишу, как обеспечение картами трафика в реальном времени всех штатов без исключения. Что не заняла Etak, поделили между собой Pioneer и Sony. Таким образом, рынок автомобильных навигационных систем поделен европейскими и японскими компаниями.

Как ни предрекали прорицатели середины 90-х годов скорое и резкое падение цен на АНС в мире, этого, конечно, не произошло, как не ожидается резкого падения цен, например, на холодильники и прочие бытовые приборы. Да, приборы-то улучшаются, но цена при этом меняется незначительно. Так и здесь. В 1996 г. АНС стоили от $2000 до $4000. В 2000 г. их стоимость колеблется около отметки $1990 и тенденций к значительному снижению не проявляет.

Последние новости

Декабрь 1999 г. ознаменовался несколькими крупнейшими событиями в индустрии автомобильных навигационных систем.

Во-первых, японская компания Pioneer выпустила в продажу навигационную систему AVIC-505, управляемую голосом и тем самым обеспечивающую пользователям максимально простой интерфейс управления системой: водитель может постоянно смотреть на дорогу, не отвлекаясь на ввод данных. AVIC-505 будет первой навигационной системой, использующей новый формат баз данных SDAL (Shared Data Access Library), разработанный компанией Navigation Technologies. Этот универсальный формат предназначен для хранения детальных карт сетей автомобильных дорог, графических атрибутов к этим картам и соответствующих дорожных объектов (например, заправочные станции, станции технического обслуживания, автомойки); таким образом, в области создания цифровых навигационных карт появился свой стандарт. Во-вторых, японская Matsushita начала использовать в качестве носителей картографических данных DVD. В-третьих, Etak, имеющая крепкие японские корни, обеспечила всю Америку картами трафика в режиме реального времени через Интернет.

Все это говорит о том, что автомобильные навигационные системы активно используют достижения индустрии ИТ и что первую скрипку в развитии подобных систем в настоящее время играют японские компании. В целом в этой области сложился двухполюсный мир - японцы с одной стороны и европейцы с другой. Американцев же вообще не видно, но их это и не волнует. Действительно, производство магнитофонов в США практически отсутствует, но это не мешает американцам иметь видеомагнитофоны - комплексов по поводу их азиатского происхождения никто не испытывает. Так и в области АНС.

Автомобильная навигация в России наталкивается на непреодолимые трудности, выставляемые законом о секретной информации: GPS с точностью выше 30 метров в России применять нельзя, карты 1 : 50 000 и более подробные считаются абсолютно секретными, а для навигационных целей нужны карты масштаба как минимум 1 : 25 000. Правда, все эти объективные трудности не мешают нам жить по принципу “язык до Киева доведет” и спрашивать прохожих, как проехать в библиотеку. С автором статьи можно связаться по адресу: blinkova@yahoo.com.