Автоматический навигатор, без спутников

Сейчас доступно огромное количество навигационной техники, работающей на основе глобальной спутниковой системы. Точно узнать своё местоположение может каждый, специальных навыков не требуется. Между тем, интересно представить, как может быть устроен подобный по простоте применения навигатор, работающий без спутников GPS. И без использования наземных радиопередатчиков с известными координатами. (Мало ли – вдруг инфраструктура сломалась?)

Итак, речь о достаточно компактном электронном устройстве, которое выполняет функции типичного современного GPS-навигатора (карты, экран, показывает местоположение в реальном времени), но при этом не зависит от рукотворных внешних источников навигационной информации. Понятно, что электронная начинка, операционные системы подходят от современных навигаторов. С исходными картами тоже более или менее понятно: загрузили файлы в память, используем. Конечно, карты будут устаревать. Это особенно вероятно в ситуации, приведшей к разрушению важных для Цивилизации элементов инфраструктуры – GPS, сотовой связи. Они явно отключились неспроста. Но леса, реки, холмы, поля и озёра – заведомо остаются на своих местах. Как и многие здания, кстати. Да и прочие изменения происходят не столь быстро, чтобы картографические файлы оказались совсем бесполезны.

Прежде всего, навигатор должен иметь автономные высокоточные часы. Это основа. Вполне достижимая. Кроме того, для работы в реальном времени (запись траектории движения, информирование о тех или иных “точках интереса”) однозначно потребуется не менее автономная, чем часы, встроенная система инерциальной навигации. Гироскопы, акселерометры. Датчики такие есть, встроить их в корпус компактного прибора тоже возможно. Естественно, нужен и компас. А точнее – хорошие датчики магнитного поля Земли.

Главная проблема такая: как инициализировать инерциальную систему в начале работы, и корректировать её ошибки во время движения навигатора?

Первое, что приходит на ум – древняя и нерушимая схема: навигация по звёздам. Для работы потребуется чувствительная встроенная камера, лучше – три. Что, опять же, не является технологической проблемой. Используя атласы звёздного неба, данные о собственной ориентации в пространстве (гироскопы, акселерометры, компас) и точные часы, программное обеспечение навигатора сможет автоматически вычислить текущие координаты, если пользователь просто направит устройство камерами в сторону чистого ночного неба, ну и разрешит понаблюдать это небо несколько раз, через определённые промежутки времени. Фиксирование движения изображений звёзд позволит компенсировать неточности, присущие встроенным камерам – всё ж это не телескопы.

Впрочем, особенной точности тут добиться сложно. Но больших отклонений в работе инерциальной системы удастся избежать, а главное, появляется инструмент для её инициализации после сбоя или отключения для экономии батарей. Днём навигатору, для осуществления коррекции, остаётся наблюдать за Солнцем. Кроме того, заметные трудности возникнут, если небо затянуто облаками. Несколько дней подряд.

Есть второй метод: привязка к местности. На первый взгляд, тут тоже помогут камеры. Можно даже придумать разные алгоритмы взаимодействия пользователь – навигатор: “справа от вас находится крупный одиночный валун серого цвета, направьте камеру номер два в сторону этого валуна”, и так далее. Углы и расстояния навигатор может измерять, сравнивая полученные камерами изображения с данными карт: оптические параметры объектива камеры известны, поэтому измерение “расстояния” между двумя элементами карты на полученном изображении даёт расстояние до этих элементов от навигатора. Выбрать объекты можно попросить пользователя. Проблема не только в том, что карты обычно неточные, но и в том, что весьма непросто точно определить реальные границы опорных объектов (это могут быть, например, холмы, здания) на изображении.

Помочь может всё та же инерциальная система, ошибки в которой мы хотим корректировать. Предположим, пользователь плавно перемещает навигатор на некоторое расстояние, направив его камеры в заданную сторону. Инерциальная система позволит довольно точно определить пройденный “базис” и, в результате, получаем дальномер, который, при помощи измерения параллакса, вычисляет и расстояние, и угловые координаты опорных точек. Но точность всё равно оставляет желать лучшего. Данный метод корректировки зависит от степени детализации карты: может просто не найтись подходящих точек привязки.

Между прочим, для продвинутых пользователей, может быть доступен такой вариант калибровки: нужно отметить на карте точку, в которой в данный момент пользователь находится. Определить эту точку пользователю предстоит самому. На то он и продвинутый. Подошёл, скажем, к верстовому столбу, отметил “я стою здесь” на карте, всё – навигатор откалиброван.

Получается, что моментально получить координаты на карте в произвольном месте поверхности Земли, с точностью до нескольких метров, при помощи гипотетического портативного навигатора, не использующего GPS (и аналоги) – не выйдет. Что ж, поэтому и придумали спутниковую навигацию. Тем не менее, можно сконструировать автономный компактный навигатор, работающий без спутников, и выдающий пусть не сверхточную, но очень полезную информацию в режиме онлайн. Пока батарейки не сядут.

()

Похожие записки:



Далее - мнения и дискуссии

(Сообщения ниже добавляются читателями сайта, через форму, расположенную в конце страницы.)

Комментарии читателей блога: 15

  • 1. 10th May 2012, 01:19 // Читатель зашел в гости написал:

    “если небо затянуто облаками.”

    за Солнцем не обязательно наблюдать в видимом диапазоне. Что-то должно доходить до земли через любую непогоду. По нему можно и ориентироваться.

    А вот с точными компасами могут возникнуть сложности: всякие магнитные аномалии, возмущения ионосферы в связи с солнечной активностью и т.д. Да и само магнитное поле Земли непрерывно перемещается и меняет силу. Медленно, конечно, но для точной навигации и это надо учитывать. На многих картах указано магнитное отклонение, но оно везде разное, меняется с разной скоростью, т.е. для его определения нужно знать, где находишься.

  • 2. 10th May 2012, 01:56 // Читатель jno написал:

    Инерционная – рулит.
    Плюс – заранее привязанная карта (и триангуляция на ней для коррекции инерциальной).
    Плюс – астрофотометрическая для поверки/коррекции топопривязки.
    Всё правильно.

    Добавим барометр-высотомер на всякий пожарный…

  • 3. 10th May 2012, 10:25 // Читатель dign написал:

    Сколько весить будет такое устройство. Как минимум, из группы надо будет выделять человека который будет таскать такое оборудование.

    Самый лучший из дешевых вариантов – ставить специальные ориентиры. Подходишь к нему и ручками вводишь координаты или фотографируешь специальную метку на нем.

    Но самый лучший из доступных способов – ориентация по звездному небу.

  • 4. 10th May 2012, 14:16 // Читатель jno написал:

    > Сколько весить будет такое устройство

    устройство – не много.
    а вот батарейки…
    начальная привязка как-никак может до суток занять.
    а то и больше, если сплошная облачность.

    да, надо бы ещё вариант секстана для работы по солнцу и магнитный компас (для начального ориентирования) с индикацией напряжённости магнитного поля (чтобы не париться стоя над местной магнитной аномалией)

  • 5. 11th May 2012, 00:15 // Читатель mva написал:

    А что, геодезические вышки все уже на металлолом разобрали? У нас вроде ещё стоят.

  • 6. 11th May 2012, 14:11 // Читатель jno написал:

    > геодезические вышки

    это учтено в категории “привязанная карта” :)

  • 7. 11th May 2012, 22:12 // Читатель зашел в гости написал:

    геодезические вышки – насколько плотно они покрывают, скажем, территорию РФ?

  • 8. 12th May 2012, 19:30 // Читатель jno написал:

    Ничё так покрывают.
    Там, где их ещё не попилили на металл, конечно.

  • 9. 13th May 2012, 15:25 // Читатель Colonel написал:

    Кстати, крупные здания тоже имеют точную привязку.
    По крайней мере советские

  • 10. 13th May 2012, 20:00 // Читатель jno написал:

    > крупные здания тоже имеют точную привязку

    только вот узнать её… и какой именно угол привязан.
    да из “за городом” с крупными зданиями туго.

    в принципе, если рабочая карта привязана, то определиться можно используя любой однозначный ориентир.

  • 11. 13th May 2012, 23:02 // Читатель Colonel написал:

    А я так понял, что вопрос доступности информации не рассматривается? Ведь координаты геодезических пунктов тоже не в открытом доступе.

  • 12. 14th May 2012, 17:37 // Читатель зашел в гости написал:

    “Ведь координаты геодезических пунктов тоже не в открытом доступе.”

    дискуссия чисто теоретическая. понятно, что если нет доступа к точным картам, данным о магнитном поле земли то все потуги бесполезны…

  • 13. 14th May 2012, 20:25 // Читатель RedElf написал:

    Короче в ситуации БП радиокомпас снова будет самое оно

  • 14. 16th May 2012, 00:30 // Читатель jno написал:

    > радиокомпас снова будет самое оно

    если радио вообще будет :)

  • 15. 26th July 2012, 10:45 // Читатель den написал:

    Pervie krilatie bili na astronavigaci.. otkazalis’ ot etogo..