Nawigacja GPS w pigułce - wszystko co trzeba o niej wiedzieć

Dowiedz się, jak zbudowane jest urządzenie do nawigacji, i które nowe funkcje mogą się ci przydać najbardziej.

To była szybka kariera: w ciągu ostatnich 1. lat urządzenia nawigacyjne z drogich, montowanych w luksusowych limuzynach urządzeń trafiły na listę najlepiej sprzedających się akcesoriów samochodowych. Dziś nawigację może mieć nawet posiadacz 20-letniego "dużego fiata". I dzięki niej zawsze wie, w jakim miejscu się znajduje i jak dotrzeć do celu. Wszystko za sprawą zaawansowanej technologii i sygnałów z krążących nad Ziemią satelitów.

Dowiedzmy się, jak zbudowane jest urządzenie do nawigacji i które jego nowe funkcje mogą się nam przydać najbardziej.

- Nawigacje samochodowe - Nawet najtańsze urządzenia oferują precyzyjne wyznaczanie trasy, droższe nawigacje mają sporo przydatnych dodatków, na przykład zestaw głośnomówiący dla telefonu komórkowego czy funkcję informowania (za pomocą systemu TMC) o aktualnej sytuacji na drodze. Najdroższe urządzenia za pomocą wbudowanego modułu GSM łączą się przez internet ze specjalnymi serwerami i pobierają z nich informacje o korkach, pogodzie i cenach paliwa. Oczywiście, kupując nowy samochód, możemy też (zwykle za dodatkową, bardzo wysoką opłatą) zamówić zintegrowany z komputerem pokładowym system nawigacyjny. Jego możliwości zależą od producenta samochodu i samej nawigacji.

- Telefony z GPS - W każdym telefonie z odbiornikiem GPS można zainstalować aplikację do nawigacji. W zależności od typu komórki i systemu operacyjnego może to być program zawierający już w sobie wszystkie mapy i niewymagający łączności z internetem (na przykład AutoMapa) lub aplikacja na bieżąco pobierająca dane z serwera producenta (na przykład NaviExpert).

- Urządzenia specjalne - Na rynku nie brakuje również specjalistycznych rozwiązań - nawigacji przeznaczonych dla pieszych, rowerzystów czy żeglarzy. Takie urządzenia nie tylko są znacznie bardziej wytrzymałe i mają wbudowany akumulator pozwalający na wielogodzinną pracę bez dodatkowego zasilania, ale także oferują mapy przystosowane do konkretnego zastosowania (na przykład z trasami rowerowymi czy szlakami żeglugowymi).

Wnętrze urządzenia do nawigacji jest jak orkiestra - wszystkie elementy muszą idealnie ze sobą współgrać:

Lokalizacja
Dzięki odbiornikowi GPS nawigacja zna dokładnie swoje aktualne położenie. Wie, w jakim miejscu na mapie się znajduje, co stanowi podstawę do wyznaczenia trasy do wybranego celu. Niektóre urządzenia poza odbiornikiem GPS mają również inne czujniki pozwalające na ustalenie aktualnego położenia - na przykład moduł GSM pobierający dane z sieci telefonii komórkowej (więcej o tym w dalszej części artykułu).

Mapa
Plik z mapą zawiera siatkę dróg, po których można się poruszać, a także bazę danych teleadresowych (nazwy miejscowości, placów i ulic oraz lokalizacje konkretnych budynków), a także współrzędne tysięcy punktów użyteczności publicznej (POI), takich jak stacje benzynowe, bankomaty czy restauracje.

Program obliczający trasę
Trasa obliczana jest przy użyciu mapy nawigacyjnej oraz różnych, często bardzo skomplikowanych modeli matematycznych. Dla nawigacji trasa to zbiór kolejnych odcinków dróg dobranych w taki sposób, aby cała trasa była optymalna - w zależności od ustawień użytkownika najkrótsza, najszybsza czy najbardziej ekonomiczna.

Program nawigujący podczas jazdy
Jeśli trasa została wyznaczona, można ruszać w drogę. Wtedy uruchomiony zostaje program nawigujący, czyli informujący kierowcę za pomocą symboli graficznych i komunikatów głosowych o kolejnych manewrach niezbędnych do osiągnięcia celu podróży.

Do ustalenia położenia stosuje się kilka technik, które na niektórych urządzeniach się uzupełniają:

GPS
Moduł GPS w systemie nawigacji otrzymuje zakodowane sygnały z satelitów GPS krążących po orbicie. Sygnały z co najmniej czterech satelitów wystarczają do ustalenia aktualnych współrzędnych (szerokości i długości geograficznej) z dokładnością od 5 do 1. metrów. Z GPS-u odczytywana jest również wysokość nad poziomem morza.

Czujniki w kołach
Pierwsze urządzenia nawigacyjne wyposażone były w czujniki na kołach, dzięki którym określana była przebyta przez samochód odległość.

Akcelerometr
Akcelerometr wykrywa zmiany prędkości. Niektóre wyższej klasy systemy nawigacji korzystają z tego czujnika do ustalenia pozycji w tunelach czy garażach podziemnych, gdzie sygnał GPS nie dociera.

Kompas
Zwykle system nawigacji określa kierunek ruchu na podstawie danych z modułu GPS. Niestety, sposób ten nie działa, jeśli się zatrzymamy lub będziemy się poruszać bardzo wolno. W takim wypadku tylko nawigacja z wbudowanym cyfrowym kompasem magnetycznym wyświetli na ekranie naszą poprawną orientację.

Pozycjonowanie GSM
Tę technikę ustalania pozycji stosuje się jedynie w telefonach z funkcją nawigacji. Zasada działania jest prosta - telefon pozyskuje identyfikatory nadajników sieci komórkowej, które znajdują się w jego zasięgu. Korzystając ze specjalnej internetowej bazy danych, przyporządkowuje do identyfikatorów precyzyjne lokalizacje nadajników i wylicza lokalizację. Dokładność tej metody jest jednak niewielka - w dużych miastach pozycję można określić z dokładnością do kilkudziesięciu metrów, ale w mniejszych miejscowościach i na terenach niezurbanizowanych dokładność wynosi nawet kilka kilometrów.

Pozycjonowanie Wi-Fi
Technika w działaniu bardzo przypomina pozycjonowanie GSM, wykorzystywana jest również wyłącznie w telefonach i tabletach. Telefon odbiera adresy MAC punktów dostępowych i korzystając ze specjalnej internetowej bazy, określa prawdopodobną lokalizację. Dokładność tej metody to kilkadziesiąt metrów, ale tylko jeśli w zasięgu znajduje się jakaś sieć Wi-Fi. Metoda ta dobrze uzupełnia GPS wewnątrz budynków, gdzie satelity nie mają zasięgu.

1. Ramka wyświetlacza

2. Ekran dotykowy - wyświetlana jest na nim mapa i menu urządzenia

3. Płytka drukowana - znajdują się na niej wszystkie podzespoły elektroniczne, w tym odbiornik GPS, mikroprocesor i pamięć

4. Czytnik kart - pozwala na umieszczenie karty z mapami i punktami użyteczności publicznej

5. Antena GPS - odbiera sygnały nadawane przez krążące nad Ziemią satelity GPS

6. Akumulator - zapewnia zasilanie po wyłączeniu silnika czy podczas wyznaczania trasy w domu przed wyjazdem. Tylko w nielicznych nawigacjach akumulator można wymienić.

7. Mikrofon - używamy go przy korzystaniu z funkcji głośnomówiącej oraz do sterowania nawigacją za pomocą głosu

8. Głośnik - jest przymocowany do tylnej części obudowy nawigacji

(A) Asystent pasa ruchu - sugeruje pas, na którym powinniśmy się ustawić, aby wykonać niezbędny manewr

(B) Nazwa ulicy - podaje nazwę ulicy, którą się poruszamy, lub nazwę zjazdu z autostrady

(C) Trasa - podświetlona trasa do celu

(D) Plus/minus - przyciski do oddalania lub przybliżania mapy

(E) ecoRoute - symbol pokazujący, jak ekonomicznie prowadzimy samochód

(F) Znak - pokazuje aktualnie obowiązujące ograniczenie prędkości

(G) Prędkość - wyświetla aktualną szybkość samochodu

(H) Czas dotarcia do celu - pokazuje szacowaną godzinę osiągnięcia celu podróży

(I) Strzałka - przejście do menu nawigacji

(J) Symbol płynności ruchu - w wypadku wystąpienia korka na drodze zielony symbol zamienia się w żółty i pojawia się oszacowany czas, który możemy stracić przez utrudnienia

Każdą trasę od punktu A do B można podzielić na wiele krótkich odcinków. Dla każdego odcinka na mapie określona jest jego długość oraz szybkość, z jaką można go pokonać. Poszczególne odcinki połączone są ze sobą tak zwanymi węzłami, którym w rzeczywistości odpowiadają różnego rodzaju skrzyżowania.

Najkrótsza droga nie zawsze jest najszybsza, bo czas pokonania danego odcinka i węzła zależy od liczby świateł drogowych i maksymalnej dozwolonej prędkości. A dla większości kierowców ważniejszy jest krótszy czas przejazdu niż mniejsza liczba kilometrów do pokonania.

Aby zgodnie z życzeniem kierowcy znaleźć najkrótszą, najszybszą lub optymalną trasę, nawigacja dzieli siatkę dróg na krótkie odcinki. Każdy taki odcinek charakteryzuje jego długość oraz średni czas przejazdu, uwzględniający ograniczenie prędkości oraz wszelkiego typu przeszkody - światła drogowe czy przejazdy kolejowe.

Najkrótsza trasa - Znalezienie przez nawigację najkrótszej trasy z punktu A do B wymaga zastosowania odpowiedniego matematycznego wzoru, którego rozwiązaniem będzie zbiór odcinków o możliwie najkrótszej łącznej długości. Nawigacja przy doborze odcinków bierze oczywiście pod uwagę zgodność drogi z naszymi wymaganiami (nie zawsze chcemy korzystać na przykład z dróg gruntowych czy płatnych autostrad).

*Najszybsza trasa *- Wyznaczenie najszybszej trasy przebiega identycznie, jak przy trasie najkrótszej - w tym wypadku każdy odcinek drogi charakteryzuje wyłącznie czas przejazdu, a nie jego długość.

Optymalna trasa - To kompromis pomiędzy najszybszą a najkrótszą drogą. Algorytm obliczający optymalną trasę stanowi zwykle tajemnicę producenta nawigacji.

Do obliczenia optymalnej trasy nawigacja bierze więc pod uwagę głównie czas podróży kolejnymi odcinkami. Brzmi logicznie, ale wymaga to przeanalizowania tysięcy możliwych kombinacji. Program wyznaczający trasę wykorzystuje w tym celu teorię grafów - dziedzinę matematyki i informatyki zajmującą się badaniem właściwości grafów, czyli zbiorów wierzchołków połączonych ze sobą krawędziami.

Korki, wypadki, roboty drogowe - przez tego typu utrudnienia podróż nawet najbardziej optymalną trasą może okazać się prawdziwą drogą przez mękę. Na szczęście coraz więcej nawigacji, szczególnie tych droższych, przy wyznaczaniu trasy bierze pod uwagę informacje o bieżących przeszkodach, które mogą pojawić się na drodze.

W zależności od zastosowanego przez producenta rozwiązania pochodzą one z różnych źródeł:

TMC
System komunikatów TMC w krajach Europy Zachodniej działa już kilkanaście lat, w Polsce zaczął funkcjonować rok temu. Obsługują go wybrane urządzenia niektórych firm, między innymi Navigon, Garmin i Mio. Zasada działania jest prosta - w specjalnym centrum zbierane są wszelkie informacje o utrudnieniach, które nadawane są następnie na falach FM przy użyciu RDS. Zgodne z TMC nawigacje odbierają dane o korkach i robotach drogowych i uwzględniają je podczas wytyczania trasy, a także wyświetlają użytkownikowi.

Dane z internetu
Urządzenia wyposażone w moduł GSM oraz nawigacje działające na telefonie komórkowym mogą pobierać przez internet dodatkowe dane z serwera producenta nawigacji. Działa to zwykle tak: serwer producenta nawigacji przez jakiś czas zbiera dane o ruchu drogowym bezpośrednio od użytkowników i je analizuje. Poznaje w ten sposób rzeczywiste prędkości jazdy na poszczególnych odcinkach, a także dni oraz godziny, w których tworzą się największe korki w danym miejscu.

Dane te nawigacja bierze później pod uwagę, obliczając optymalną trasę, co pozwala uniknąć korków pojawiających się zwykle w tych samych miejscach. Funkcji przewidywania utrudnień na drodze towarzyszy zwykle moduł ostrzegania o rzeczywistych utrudnieniach - dane z niego również pochodzą od aktualnych użytkowników (jeśli posiadacze nawigacji na danej drodze poruszają się nagle znacznie wolniej niż powinni, może to oznaczać na przykład wypadek). Tego typu funkcje znajdziemy w nawigacji NaviExpert oraz AutoMapa. Nawigacje korzystające z transmisji internetowej stale wysyłają i odbierają niewielkie porcje danych, w praktyce wiąże się to z dodatkowymi opłatami. Ich wysokość uzależniona jest od operatora.

Polecamy w wydaniu internetowym komputerswiat.pl: Koniec czekania na przelewy! Powstanie system płatności natychmiastowych