dxdt.ru: занимательный интернет-журнал

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.

Адрес записки: https://dxdt.ru/2012/05/10/4841/