Момчил Минчев
“Българска геоинформационна компания” ООД
Любителските GPS системи заемат широко място във всекидневието на съвременните хора. Подобно на телевизорите, компютрите и мобилните телефони, различни модели от тях могат да се видят по витрините на магазините за битова електроника, където се предлагат на съвсем достъпни цени. Мнозина са онези, които не сядат зад волана, не тръгват на пътешествие в близки и далечни светове, или дори на полудневен излед из околностите на града без GPS устройство. Самостоятелно или вградено в телефон или PDA компютър, то визуализира текущото положение на приносителя на фона на цифрова карта, води го по улиците до желания адрес или допълва автентичността на снимките с координатите на мястото, откъдето са направени.
По традиция, в геодезическите среди у нас любителските GPS системи се наричат “навигационни” – сякаш за да се подчертае, че те са извън елитарния кръг на подобните уреди със сантиметрова или дециметрова точност, но същевременно да не им се отнема възможността при нужда да послужат в професионалната практика.
Всъщност, както се изясни в бр. 3/2009 на “Геомедия”, системите за морска и въздушна навигация са напълно професионални по своето предназначение, архитектура и функционалност, но тъй като са специализирани в други приложни сфери остват извън вниманието ни. Сред GPS системите за наземна навигация най-разпространени са тези, предназначени за автомобили, а измежду тях – любителските модели. Професионалните системи за автомобилна навигация се отличават от любителските най-вече по това, че са свързани онлайн с център за управление, откъдето се контролира не само движението, но и други данни за превозните средства – наличното гориво или други важни консумативи, количеството превозвани материали, сигнали за възникване на извънредни ситуации и пр. Тези данни се документират и влизат в досиетата на извършваните дейности.
В какво се състои разликата между професионалните GPS системи, прилагани в областта на геодезията, и широко разпространените любителски GPS системи? Доколко е възможно сравнително по-достъпните уреди от любителския сектор да се използват професионално?
За да се даде отговор на тези и други подобни въпроси е необходимо първо да се уточни какво обхващат двата сектора, а след това да се формулират критериите за анализ.
В първия сектор са включени трите вида професионални GPS системи, предсатвляващи най-голям интерес за геодезистите, а именно:
– Геодезия (Г);
– Строителство (С);
– Картиране, утилити и ГИС (К).
За посигане на баланс, любителските системи във втория сектор са разделени също на три части:
– Туризъм и ориентиране (Т);
– Автомобилна навигация (А);
– Екстри на мобилни телефони и PDA устройства (Е).
Критериите за извършване на анализ са следните:
– Системна архитектура и основни елементи на конфигурацията;
– Методи за позициониране и точност;
– Функционалност.
По всеки от критериите са избрани няколко показателя, с които се обхващат най-съществените особености на GPS системите, включени в анализа. Резултатите от съпоставката са представени в табл. 1-3, като за визуализирането им е използвана четиристепена скала на плътността на сивото както следва:
– С плътен сив цвят (50%) са отбелязани характеристики типични за даден сегмент;
– В сиво (25%) са дадени често срещаните понастоящем случаи;
– Със светло сив цвят (10%) са означени нетипичните или рядко срещаните решения;
– Незапълнените квадратчета са признак за неприложимост по даден показател на сравнението.
Системна архитектура и основни елементи на конфигурацията
Обикновено любителските GPS системи са с интегрирана конфигурация. По-непретенциозните от тях са изпълнени като екстри на мобилните телефони или PDA устройствата от среден и по-висок клас, а тези с по-сериозни възможности имат вграден блок за управление. От своя страна, блокът за управление може да бъде без операционна система, или да е PDA платформа, с архитектура адаптирана напълно към изискванията на GPS технологията и поддържаната функционалност. Последното решение е често срещано и в професионалните системи за картиране, утилити и ГИС.
Модулните конфигурации не са типични за любителските системи, макар че не липсват и там, напр. широко разпространените серии “GPSlim” и “M” на Holux Technology Inc., обединяващи GPS приемник, антена и Bluetooth модул за свързване с външен компютър, и пр. Обратно, в повечето сегменти на професионалния сектор системите са с модулна конфигурация от две или повече части – приемник с вътрешна или външна антена, и отделен блок за управление, базиран на PDA или таблет (фиг. 1).
С изключение на телефоните-слайдери с GPS, дизайнътна GPS системите е моноблок. В типичния случай професионалните системи имат високи якостни характеристики и степен на защитеност от проникване на твърди частици и влага, категоризирана със съответния код IPxy (фиг. 2). Любителските уреди, отговарящи на подобни изисквания, се срещат сравнително по-рядко.
По правило съвременните GPS системи са с ярки, цветни, чувствителни TFT дисплеи, с размери, лимитирани от изискванията в съответния сектор, които в професионалните приложения достигат впечатляващите 7” (фиг. 3). Освен това, разделителната способност на последните достига 640 х 480 пиксела (VGA) или 1024 х 600 пиксела (WSVGA), а към качествата им се добавя и възможността за четене денем на открито.
Възможностите на потребителския интерфейс, осигуряван от виртуалните клавиатури и системите за разпознаване на ръкопис, често се разширяват с физически клавиатури за въвеждане на цифрови или буквено-цифрови данни. Те могат да се различават по брой и разположение на бутоните, следвайки стадартните схеми за GSM или PDA устройства, или да са специално проектирани за даден вид приложение, което е типично за повечето професионални GPS системи (фиг. 4).
По отношение на комуникациите, интегрираните GPS системи са зависими изцяло от възможностите на съответните им базови устройства. Затова любителските системи със SIM карти обикновено поддържат телефония и обмен на данни, а професионалните – само втората опция. По същата причина последните обикновено имат физически COM портове, наред с поддържаните от всички устройства USB портове и безжични комуникации.
Фигура 1. Общ вид на GPS системи с модулна (а, б) и интегрирана (в) конфигурация
Системата с модулна конфигурация (а) включва GPS приемник с външна антена и блок за управление, а системата (б) – GPS приемник с вградена антена и блок за управление
Фигура 2. Общ вид на интегрирани GPS системи с различна степен на защитеност от външни въздействия: а, б) с висока степен на защитеност; в) с ниска степен на защитеност или без защита
Фигура 3. Професионални GPS системи с размер на дисплея 3.5” (а) и 7” (б)
Фигура 4. Блокове за управление и интегрирани системи с буквено-цифрова (а), цифрова (б) и PDA клавиатура (в)
Функционалността на всички GPS системи се разширява чрез различни допълнителни елементи, включени в конфигурацията им. Всички системи на практика имат вградени високоговорители и микрофони, или поне букси за включването на външни такива, а в редица случаи са на лице и цифрови камери. Често любителските уреди, предназначени за туризъм и оф роуд, са допълнени с барометрични сензори за определяне на надморска височина и електронни компаси, а също и с други датчици, реагиращи на промяна на ориентацията и ускорение, предназначени за усъвършенстване на навигационните функции. За професионалните системи такива екстри не са типични поради недостатъчната им точност и надеждност. В някои случаи те се допълват с баркод скенери за автоматизирано въвеждане на атрибутни данни и далекомери с малък обхват за измерване на разстояния до близки обекти. Предвиждат се и възможности за безжично свързване с външни устройства от подобен тип.
В обобщение, по отделните елементни от архитектурата си професионалните и любителските GPS системи не винаги могат ясно да се различат. Като цяло обаче профилите на устройствата в двата сектора са напълно определени (табл. 1).
Методи за позициониране и точност
По правило в любителския сектор се използват C/A кодови едночестотни GPS сигнали и се разчита преди всичко на автономно, а в някои случаи и на диференциално SBAS позициониране в реално време, с метрова или по-ниска точност. За сметка на това е важно непрекъснатото осигуряване на данни за текущото местоположение, дори в условията на градски каньони, горски и силно пресечени местности, където е критична възможността за приемане и обработка на слаби сигнали от ниски спътници. В това отношение приемателните модули на SiRF Technology Inc. се оказват много подходящи и през последните години се прилагат успешно не само в любителски, а и в някои професионални системи.
Таблица 1. Съпоставка на основните елементи на GPS системите
Обратно, за постигане на висока точност е необходимо приеманите сигнали да се филтрират и в редица случаи позиционирането е невъзможно поради поради незадоволителното им качество, недостатъчния им брой или неблагоприятното разположение на излъчващите ги спътници. Тогава могат да се окажат полезни сигналите от други ГНСС – понастоящем “Глонасс”, а в бъдеще – “Галилей” и “Компас”, които се използват в редица професионални приложения. Наред с тях, новите GPS сигнали L2C и L5, появили се в хода на модернизацията на системата, също водят до съществени подобрения – по-устойчиво следене, по-бързо възстановяване на приемането след прекъсване, и постепенно налагат следващото поколение мутичестотни системи в професионалния сектор.
За гарантиране на точността измерванията, повечето професионални системи са снабдени с висококачествени антени, които позволяват да се сведе до минимум влиянието на отразени сигнали. Тъй като търсеният ефект се постига чрез комбинираното действие на геометрични и електронни фактори, степента на защита от т.нар. многопътна интерференция е пропорционална на размера на екраниращите повърхности на антените.
ГНСС инфраструктурата, състояща се от постоянно действащи мрежи и отделни станции, е алтернативата на SBAS за повечето професионални приложения. Причина за това е по-надеждната комуникация, по-високата точност и по-широкият спектър на услугите, предлагани от наземната инфраструктура – различни протоколи за DGPS и RTK позициониране, работа във и извън реално време и пр.
В обобщение, известно припокриване по отношение на основните характеристики на GPS приемниците на любителските и професионалните системи е налице единствено в автономното и SBAS позициониране в реално време с метрова точност (табл. 2).
Таблица 2. Съпоставка на основните характеристики на GPS приемниците
Функционалност
За разлика от системната архитектура, методите за позициониране и точността, разгледани по-горе, фунционалността на GPS системите се определя единствено от техния софтуер.
Визуализацията на основни (фонови) цифрови карти е елемент от функционалността на всички разглеждани системи. Собствените формати имат за цел оптималното използване на наличните ресурси, за сметка на генерализирането на съдържанието на картите, използването на ограничени набори от условни знаци и други похвати, чрез които продуктът максимално се адаптира в зависимост от предназначението на системата. Приложението на стандартни формати – геореферирани tiff, jpeg, bmp и пр., дава възможност на потребителите да си служат със сканирани карти, планове и други растерни продукти, което е присъщо в професионалната сфера.
Работата с векторни карти е пряко свързана с основните операции, за които е предназначена системата. В професионалния сектор това са събирането и актуализирането на данни, трасирането, приложението на COGO функции, а в системите за навигация – построяването на маршрути и следването им. В първия случай е съществена възможността за свързване на данните в устройството с цялостния проект, по който се извършват измерванията – онлайн или извън реално време. Затова импортирането и експортирането на данни в стандартни формати – dxf, shape, mif, dgn, ascii и пр., както и трансформирането им от една координатна система в друга, е от особено важно значение.
Структурата на данните в любителските системи е максимално опростена. Обикновено това са няколко вида точки – маршрутни точки; точки, представляващи интерес (заведения за обществено хранене, търговски обекти, транспортни терминали, болници и пр.); както и полигони, които могат да се построят по тях. За разлика от тях, в някои от професионалните системи (К) се дефинират различни класове обекти, които се описват геометрически – чрез резултатите от GPS измерванията, и съдържателно – с помощта на атрибутни таблици.
Въпреки привидното им сходство, функциите за събиране на нови и актуализиране на съществуващи данни налагат различни изисквания преди всичко към организацията на базата данни и работата с векторни карти. Затова, докато в почти всички случаи е възможно записването на нови точки или обекти, то актуализацията на данните за тях е операция присъща изключително на професионалните системи.
Всички системи предлагат елементарни навигационни операции, които напомнят по-скоро за движение по азимут към дадена цел, отколкото за истинска навигация. В професионален аспект те могат да се отъждествят с методи за трасиране на точки по координати или по посочен ъгъл и разстояние, в 2D или 3D. Истинската автомобилна навигация, в която маршрутите следват мрежата от улици и пътища, е приоритет вече не само в едноименния сектор (А), но се среща и в най-масовите професионални системи – картиране, утилити и ГИС (К). За повишаване на производителността, последните могат автоматично да преминават от режим на навигация в режим на събиране на данни.
В обобщение, функционалността на професионалните системи е както по-различна, така и значително по-развита от тази на любителските системи (табл. 3).
Таблица 3. Съпоставка на общата функционалност на GPS системите
Заключение
Анализът на основните характеристики на най-разпространените професионални и любителски GPS системи показва, че общото помежду им е твърде малко – единствено в някои елементи на архитектурата и GPS приемниците на отделни представители от двата сектора.
Необходимостта от по-развитата функционалност на професионалните системи е сериозен стимул за непрекъснатото усъвършенстване на хардуера им. Затова интегрираните устройства и блоковете за управление на модулните системи са базирани на PDA и таблет компютри, чийто капацитет е съизмерим с тези в офиса.
Когато точността е решаваща, пътищата за усъвършенстване минават през новите GPS сигнали, сигналите от други ГНСС и наземната ГНСС инфраструктура. В останалите случаи са печеливши решенията с повишена чувствителност към сигналите от всички видими спътници.
От друга страна, “любителски” в никой случай не е обидна квалификация за качеството на GPS продуктите, предлагани на пазара. Любителският сектор е също сегментиран, както професионалния и предлага разнообразни решения за изключително широк кръг потребители.
Технологичното, а вероятно и икономическото преливане между двата сектора не е перспективно за по-нататъшното им развитие и затова повечето производители са специализирани в някой от тях. Отдавна мина времето на уреди като “железния” Garmin GPS12, които “стават за всичко”. Трудно може да бъде убеден някой, че геодезистите тръгнали с туристически GPS приемници, ще трасират коректно границите на имоти, дори извън регулация, особено ако това е масова практика, а не изолиран случай. Доколко и докога подобни практики ще се приемат за нормални е въпрос преди всичко на нормативна уредба.
Речник на съкращенията
ГИС – Географска информационна система
ГНСС – Глобална навигационна спътникова система
COGO – Координатни изчисления
DGPS – Диференциален метод за GPS позициониране
SBAS – Спътникова система за подпомагане на GPS измерванията
RTK – Кинематичен метод за позициониране в реално време.
