Путешествуя по водным просторам, многие из нас попадали в сложные ситуации, потеряв ориентацию. И не важно, где это происходило - в открытом море или вблизи берегов, требовался немедленный ответ на вопросы - где я нахожусь и куда мне двигаться, или, пользуясь морской терминологией, каково мое местоположение и каким курсом идти?
Поставив перед собой эти два вопроса, Вы тем самым сформулировали классическую задачу навигации - определение своего места в пространстве и нахождение направления движения (курса) в нужную точку ("точку прибытия").
Как только речь заходит о навигации, в воображении сразу возникают седые капитаны в белых фуражках, секстаны, хронометры и астрономические таблицы, научиться пользоваться которыми не так просто, а нормальному человеку, не обремененному познаниями в мореходной астрономии, координатных системах и обсервациях, почти невозможно.
Но вот перед нами небольшой прибор с экраном и клавишами. Его можно установить на штурманский стол, на переборку или даже положить в нагрудный карман. Это - приемоиндикатор глобальной спутниковой системы навигации или. как обычно его называют, приемник GPS (от английского названия системы Global Positioning System). Именно он позволяет ответить и на вопрос - где я нахожусь, и на вопрос - куда мне идти.
Пусть Вас не вводят в заблуждение его малые размеры - в этом приборе сосредоточены самые последние достижения науки и техники. В небольшом корпусе находятся, например, многоканальный высокочувствительный приемник, мощный навигационный компьютер, программное обеспечение, созданное математиками на основе огромного опыта штурманов и геодезистов. Это и позволило низвести высокое искусство определения по небесным светилам до простейших операций, доступных для людей, навигацию не изучавших - охотников, туристов, рыбаков, водителей. Стоит только ввести координаты точки, в которую нужно прибыть, и приемник в любое время года, в любых погодных условиях и в любой точке нашей планеты определит ваши текущие координаты, рассчитает и покажет на экране в наглядной графической форме направление на выбранную путевую точку и отклонения от заданного курса, даст рекомендации по возвращению на него, и в результате - выведет Вас в нужное место.
Рассмотрим, что это такое - приемник GPS.
Напомню, что принцип определения своего места в глобальной системе позиционирования (GPS) заключается в одновременном измерении расстояния до нескольких навигационных спутников (не менее трех) с известными параметрами их орбит на каждый момент времени, и вычислении по измеренным расстояниям своих координат. Для выполнении этих функций в состав приемоиндикатора GPS входят приемник с антенной для приема сигналов спутников, компьютер для их обработки и навигационных вычислений, дисплей для отображения навигационной и служебной информации, клавиатура для управления работой прибора.
В настоящее время множеством американских, европейских, а в последнее время и японских фирм производится большое количество самых разнообразных моделей GPS - переносных, стационарных, мобильных, отличающихся друг от друга типом приемника, размерами дисплея и способом отображения информации, техническими характеристиками. Чтобы разобраться во всем этом многообразии и правильно выбрать приемник, в полной мере удовлетворяющий Ваши потребности и соответствующий Вашим возможностям, предлагаю ознакомиться с основными типами приборов, с их техническими характеристиками.
Классификация приемников GPS
Классификацию приемников можно осуществлять по нескольким признакам: носимый - стационарный, одноканальный - многоканальный. по виду отображения информации и т. д.
1. Носимые приемники. (Таблица 1). Носимые приемники имеют малые размеры и вес. встроенную в корпус или внешнюю антенну и автономный источник питания - миниатюрные батареи или аккумуляторы. Такие приемники имеют минимальное количество клавиш. Особенностью современных носимых приемников является наличие дисплея с графическим представлением навигационной информации, существенно облегчающее работу с прибором, дающее возможность осуществлять навигацию без использования карт (по проложенному предварительно маршруту).
Носимые приемники обычно имеют полностью герметичный корпус, обеспечивающий надежную защиту от воды и пыли. Они могут работать в широком интервале температур и могут быть использованы в самых жестких условиях.
В настоящее время в России наиболее известными являются приемники фирмы Magellan, одной из первых вышедшей на российский рынок (модели 2000 и 3000, Meridian XL), фирмы Trimble Navigation (модели Ensigne и Scout) и фирмы Garmin (модели GPS II, -12XL, -38 и 45XL). Гораздо реже встречаются приемники Apelco GPS 15 фирмы RAYTHION (США).
2. Стационарные приемники. Стационарные приемники предназначены для использования в закрытых помещениях - в штурманских рубках, каютах, кабинах автомобилей. Их характерной особенностью является наличие выносной антенны и питание от внешнего источника постоянного тока. Они имеют, как правило, крупные жидкокристаллические монохромные экраны с алфавитно-цифровым и графическим отображением информации.
Стационарные приемники имеют более широкие функциональные возможности, чем носимые, особенно профессиональные приемники для морских судов и геодезии Их интерфейс позволяет сопрягать их с различными приборами - с радиолокатором, с авторулевым. с радиостанцией и пр., т. е. они становятся составной частью большой навигационной системы судна. Они могут соединяться с дополнительной аппаратурой - выносным дисплеем, навигационными графическими системами, компьютерами.
Из стационарных приемников в России наибольшее распространение получили приборы фирм Trimble Navigation и Raythion (США), Furuno (Япония), Philips (Голландия), Garmin (США). Это, в основном, очень дорогие профессиональные судовые приемники, цена которых может составлять 1200-7.000 $. Наиболее доступным из них по стоимости является приемник фирмы Garmin GPS 120.
При относительно невысокой цене (690S США), он имеет большой экран (110 мм по диагонали), большой объем памяти (250 путевых точек, 20 маршрутов по 30 путевых точек в каждом) и возможность отслеживания 8 спутников, удобное графическое отображение навигационной информации (электронный компас, движущаяся карта, указатель направления на путевую точку, индикатор отклонения от курса и т. п.), хорошо продуманный диалоговый режим работы с прибором.
Типы приемников
Параллельные многоканальные приемники
Параллельные приемники имеют одинаковые приемные каналы - обычно от 3 до 8, но встречаются и 12-канальные. Такие приемники выполняются обычно вместе с антенной в виде отдельного блока, располагающегося снаружи в удобном для приема сигналов месте.
Параллельные приемники обеспечивают более высокую точность позиционирования и лучшее быстродействие, чем одноканальные, хотя имеют более высокие массу, габариты и стоимость, и применяются, как правило, в стационарных приемоиндикаторах.
Одноканальные приемники
В приборах такого типа содержится только один приемник, последовательно, один за другим отслеживающий находящиеся в поле зрения спутники. Такие приемники еще называют последовательными. Они намного меньше и дешевле параллельных многоканальных, поэтому они обычно используются в носимых миниатюрных приемниках.
Принято считать что одноканальные приемники значительно уступают параллельным в точности позиционирования и быстродействии. Это верно лишь для достаточно старых моделей с медленным переключением приемника и малым количеством отслеживаемых спутников.
В настоящее время появились так называемые "скоростные мультиплексные приемники", способные с высокой скоростью опрашивать достаточно большое количество спутников (в существующих моделях - до 12 спутников), при времени переключения от 2 до 5 миллисекунд. Такие приемники по большинству показателей близки к параллельным многоканальным, что позволило использовать их в стационарных аппаратах, в том числе используемых в Геодезии. Сравнительные испытания, проведенные специализированными предприятиями (ГП "Морсвязьспутник", фирмами ‘Навигационные компьютерные технологии" и НАВИКОМ), показали достаточную точность и надежность их работы даже в сложных условиях улиц Москвы.
Скоростные мультиплексные приемники используются во всех моделях фирмы Garmin - от самых маленьких GPS II, 12XL, 38, 45XL до стационарных установок GPS 100 и GPS 120, в приборах фирмы Magellan, Raytheon и многих других.
Отображение информации
Для владельца приемника GPS не может быть безразличным, как отображается навигационная информация на экране его прибора. В одном случае он будет получать подробнейшую информацию о направлениях на точки, курсе, скорости и многих других нужных и полезных данных, но воспользоваться ими сможет только с помощью карты и компаса. В другом случае пользователь может получать менее подробную информацию, что характерно для носимых приемников, но зато графическое изображение на экране позволит идти по маршруту без помощи карты и компаса.
В приемниках GPS используются два способа отображения информации: алфавитно-цифровой и графический (иногда используется термин "псевдографический").
В первом случае для отображения получаемой информации используются цифры и буквенные сочетания - обычно аббревиатуры фраз (например, MOB - "Man Over Board" или, по русски - "Человек за бортом!") и сокращения слов (например, SPD - speed - скорость, TRK - Track - трасса). Такой способ отображения информации применяется, в основном, в профессиональных геодезических и судовых приемниках (Furuno GP-500, Garmin GPS 100, Shipmate RS5700 и др.), однако иногда используется и в носимых приемниках (Ensign и Scout фирмы Trimble Navigation).
Приемник с алфавитно-цифровым дисплеем выдает вам все необходимые для навигации данные - текущие координаты и координаты занесенных в память путевых точек, направления на них, курс, скорость, время прибытия и время в пути и многое другое. А дальше Вы с помощью карты и компаса двигаетесь в заданную точку. То, что хорошо для больших судов, которые без карты и компаса в море не ходят, и в геодезии, в которой решаются совсем иные задачи, то недостаточно для яхтсменов и владельцев малых судов. И поэтому западная промышленность, быстро реагирующая на запросы потребителя, начала производство приемников GPS с графическим дисплеем. На такой дисплей в виде определенных графических изображений в простой и доступной форме выводится информация, необходимая для движения в заданном направлении и просмотра пройденного пути.
Графика в аппаратах различных фирм практически одинакова и различается, как правило, в деталях. Наиболее распространенными рисунками являются: изображение компаса, графический указатель направления движения в виде идущей к путевой точке дороги, индикатор отклонения от курса, движущаяся карта, расположение видимых спутников относительно приемника.
Характеристики приемников
Для того, чтобы выбрать для себя приемник GPS, в полной мере соответствующий Вашим потребностям и финансовым возможностям. необходимо познакомиться с основными характеристиками приемников.
Навигационные характеристики
Навигационные возможности приемников GPS характеризуются количеством запоминаемых прибором путевых точек, количеством маршрутов и содержащихся в них маршрутных путевых точек. Под путевыми точками понимаются какие-либо характерные точки на поверхности Земли, требующие их запоминания и используемые для навигации - промежуточные пункты маршрутов, якорные стоянки, навигационные знаки, места установки рыболовных сетей и т. п. Путевые точки задаются заблаговременно, с помощью карты, или непосредственно в ходе плавания путем ввода в приемник текущих координат, записываются в память и извлекаются оттуда при необходимости движения к ним или создания маршрута.
Под маршрутом понимается некоторая ломаная линия, образованная несколькими путевыми точками. Маршруты создаются путем ввода ряда путевых точек с присвоенным им номером маршрута.
Чем больше приемник может создавать и хранить путевых точек и маршрутов, тем более сложные задачи он может решать. Например, если при движении через открытое море маршрут может быть задан только двумя путевыми точками, то в прибрежном плавании с частыми изменениями направления движения, для создания маршрута может потребоваться несколько десятков путевых точек. Тем, кто постоянно плавает вдоль берега по многим направлениям, например, каботажным судам или крейсерским яхтам, необходимо иметь приемник GPS, способный создавать и хранить достаточно большое количество маршрутов и путевых точек в них.
Для примера сравним по этим показателям (таблица 2) несколько наиболее распространенных и доступных моделей раздельно для носимых и стационарных приемников.
Результаты говорят сами за себя и показывают, что при примерно одинаковых массогабаритных показателях носимые приемники Garmin GPS II и 45XL позволяют создавать и запоминать более сложные маршруты и в больших количествах, чем другие модели, что особенно важно при плавании в сложных навигационных условиях.
Наилучшими приемниками в группе стационарных приемников для плавания в сложных условиях являются модели NT200 фирмы Trimble Navigation и Garmin GPS 120.
Количество одновременно отслеживаемых спутников
Этот показатель характеризует устойчивость работы приемника и его возможность обеспечения наивысшей точности. Учитывая тот факт, что для определения двух координат позиции - долготы и широты нужно одновременно отслеживать три спутника, а для определения высоты - четыре, а также и то, что в своем движении спутники могут занимать неблагоприятное положение относительно приемника, то вполне понятно стремление конструкторов создавать приемники с большим количеством отслеживаемых спутников. При этом некоторая избыточность, сопровождаемая увеличением габаритов и стоимости приемников, компенсируется повышением точности и надежности определения места.
Современные приемники GPS способны сопровождать от 8 до 12 спутников. Следует отметить, что сопровождение более 8 спутников используется, в основном, в носимых приемниках, работающих в более трудных условиях, чем стационарные.
Точность определения координат
Это - фундаментальный показатель любой навигационной системы. От точности прибора зависит, насколько точно мы будем следовать по проложенному маршруту, что особенно важно при плавании по фарватерам, в местах с большим количеством навигационных опасностей.
Большинство фирм-производителей оценивают точность определения своих приемников GPS в 15 м. Можно считать эту величину предельной, так как реально она зависит от положения спутников или, как принято говорить в этом случае, от геометрического фактора. Поэтому обычно считают точность позиционирования 15-30 м. Поскольку вращение спутников несинхронизировано, может образоваться такое их неблагоприятное положение относительно приемника, при котором ошибки определения могут быть достаточно велики. В случае превышения расчетного значения ошибки определения координат аппарат доложит об этом владельцу и прекратит выдачу навигационной информации до восстановления нормального положения спутников.
Помимо приведенных выше основных характеристик для сравнения могут быть использованы такие показатели, как энергопотребление или время непрерывной работы, диапазон рабочих температур, масса и габариты приемника и т. д.
Рекомендации по выбору приемника GPS
Познакомившись с типами приемников и их характеристиками. Вы можете сознательно выбрать модель в наибольшей степени удовлетворяющую Ваши потребности. Однако прежде будет полезно познакомиться с состоянием рынка приемников GPS в России.
В настоящее время на российском рынке имеются носимые приемники Ensign (цена 995 долл США) и Scout, производимые фирмой Trimble Navigation (США) и поставляемые в Россию московской фирмой ПРИН. Это практически одинаковые приемники с алфавитно-цифровым дисплеем и трехканальным приемником, способным отслеживать до 8 спутников. Дополнительно к основному комплекту приемника может поставляться подставка, внешняя антенна и кабель питания.
Достаточно известны на российском рынке приемники фирмы Magellan моделей GPS 2000 (380 долл.), GPS 3000, Meridian XL, NAV 1200XL, имеющие последовательный скоростной мультиплексный приемник, способный отслеживать до 12 спутников, и графический дисплей. Модели GPS 2000 и 3000 имеют встроенные антенны, a Meridian XL имеет внешнюю антенну, которая может быть заменена выносной антенной с кабелем при использовании приемника в стационарном варианте.
В последние годы среди профессиональных моряков и любителей, о том числе и в России, получили распространение надежные, удобные в применении и недорогие приемники GPS американской фирмы Garmin - носимые модели GPS II (490 долл.), 38 (340 долл.). 45XL (490 долл) и стационарный приемник GPS 120(6901 долл.). В 1997 г. на смену хорошо известному приемнику Garmin GPS 40 придет приемник GPS 12XL, способный сопровождать 12 спутников и имеющий более широкие функциональные возможности. Все перечисленные модели имеют дисплей с графическим и алфавитно-цифровым отображением информации, большой объем памяти, способной хранить до 250 путевых точек и 20 маршрутов по 30 путевых точек в каждом. Модели GPS 45XL и GPS II имеют возможность подключения наружной антенны. Все носимые модели могут работать при отрицательной температуре воздуха до - 15°С. Приемники фирмы Garmin поставляются московским АО НАВИКОМ.
Из стационарных моделей хорошо известны профессиональные приемники NT100 (1695 долл.) и NT200 (2195 долл.), производимые фирмой Trimble Navigation (США) и поставляемые московским АО ПРИН и фирмой Transas Marine (Санкт-Петербург и Москва).
Хорошо известна в России и продукция японской фирмы Furuno. Ее поставляет на российский рынок американская компания MRCI (Marine Resources Company International) через свои московское и ряд дальневосточных отделений Цены моделей: GP50 Mk II — 1111 долл., GP70 1888 долл., GP500 - 4265 долл.
Большую популярность получил стационарный приемник Garmin GPS 120 (690 долл.), используемый как на больших, так и на малых судах. Незаслуженно реже используются превосходные приборы американской фирмы Raylhion - модели Nav 298 (1500 долл.), Nav 398 (1750 долл.), Nav 598 (2400 долл.), Apelco 6400 и 6700 (1400 и 1660 долл.).
Приемник выбирается с учетом размеров судна, ожидаемого района и характера плаваний.
Прежде всего решите, какой приемник нужен - носимый или стационарный? Естественно, если у Вас большое судно с металлическим корпусом, необходим стационарный приемник с наружной антенной металлическая крыша рубки препятствует прохождению радиоволн. Стационарные приемники следует применять на больших моторных и парусных яхтах, имеющих достаточно места для их размещения. Внешняя антенна обеспечивает более надежный прием сигналов спутников, чем находящаяся внутри каюты антенна носимого приемника, да и большой экран намного удобнее, особенно при работе в темноте.
Иногда на больших яхтах устанавливают два приемника: один - в штурманскую рубку для решения навигационных задач, другой - рулевому для управления судном по графическому указателю направления движения.
На небольших судах целесообразно использовать носимые приемники. Наличие встроенных батарей, антенны и высокая влагозащищенность позволяют использовать такие приемники как в каюте, так и в открытом кокпите в любых условиях. Если же Вы дополнительно приобретете кабель питания, внешнюю антенну и специальную подставку, то получите универсальный аппарат, сочетающий лучшие свойства стационарных и носимых приемников (особенно, если это будут Garmin GPS 45XL или GPS II, обладающие возможностями, во многом превосходящими дорогие стационарные аппараты). Носимые приемники Вы сможете использовать и на берегу. Если Вы, например, собрались сойти на берег в лес за грибами, возьмите с собой приемник GPS, предварительно записав точку стоянки в его память, и он не даст Вам заблудиться.
При плавании в сложных в навигационном отношении местах - например, на Белом море, в Финском заливе, желательно иметь приемник с большим объемом памяти, способным создавать большое количество маршрутов и путевых точек. Для этой цели можно использовать любую модель фирмы Garmin или приемник фирмы Trimble Navigation NT200. При плавании в морях с относительно простыми условиями навигации, например, в Черном море, достаточно иметь приемник с ограниченным объемом памяти, что-то вроде Magellan NAV 1200XL или Meridian XL.
Если предстоит плавать по узким фарватерам, нужно приобретать аппарат, имеющий возможность работы в режиме дифференциальной GPS (DGPS) и дополнительный приемник дифференциальных поправок. Такие приемники производятся практически всеми фирмами-производителями аппаратуры спутниковой навигации. Так, фирма Garmin производит приемник GBR21, фирма Trimble Navigation - приемник NavBeaconXL и т. д. Применение дифференциального режима повышает точность определения местоположения до 5-10 м.