Ing. Jan Stankovič
Institut ekonomiky a systémů řízení
VŠB - Technická univerzita Ostrava
tř. 17. Listopadu
708 33 Ostrava - Poruba
E - mail: jan.stankovic@vsb.cz
Formerly people used to travel very rarely and when they went for journey they were dependent on way information they got from local people. Later on there were made paper maps with road drawings and compass and space orbs were used for navigation.
Modern today requires continuous travelling of millions of people for work and also for entertainment reasons. Development of traffic brings harder and harder requirements for effectivity and comfort of travel. There is rising requirement for production of information systems that give traveler exact information about his position, direction of course and other additional information dependently on reason of his travel. Development of devices for precious position measurements, mobile telecommunication systems and miniaturization of personal computers in last years enables construction of intelligent navigation systems and their adjustment for exact customer needs.
The paper undertakes areas of use of navigation systems, current abilities for determination of position, technical scopes for display of map and additional information in landscape and next ability of on-line data actualization
Kdysi lidé cestovali velmi zřídka, a pokud se vydali na cesty byli nuceni se řídit údaji o správném směru cesty, které získali od místních lidí. Později byly vytvořeny papírové mapy s nákresy cest a k navigaci se začal využívat kompas a vesmírná tělesa.
Dnešní moderní doba vyžaduje stálé cestování miliónů lidí za prací, ale i zábavou. Rozvoj cestovního ruchu přináší stále větší nároky na efektivitu a pohodlí cestování. Vzniká zde tedy požadavek na tvorbu informačních systémů, které poskytují cestovateli přesné informace o jeho poloze, směru postupu a další doplňkové informace v závislosti na účelu jeho cesty. Vývoj zařízení pro přesné určování polohy, mobilních telekomunikačních systémů a miniaturizace osobních počítačů v posledních letech umožňuje vytvářet inteligentní navigační systémy a jejich přizpůsobení přesně pro požadavky zákazníků.
Příspěvek se zabývá oblastmi využití navigačních systémů, současnými možnostmi pro určování polohy, technickými možnostmi pro zobrazování mapových a doplňkových informací v terénu a dále možností on-line aktualizace dat v terénu.
Navigační systémy lze rozdělit do několika skupin podle druhu dopravy, pro který jsou určeny. Účel navigačního systému určuje jeho vlastnosti.
Zde existují dvě oblasti aplikace navigačních systému. První z nich je využití pro turistické účely. U této aplikace je kladen důraz na malou velikost a nízkou hmotnost zařízení a jeho odolnost proti povětrnostním vlivům (vlhkost, prach). Postačujícím vybavením je zde zařízení schopné zjistit a zobrazit na digitální mapě vlastní polohu. Jako mapové podklady jsou pro tento účel použití vhodné rastrové digitální nebo digitalizované turistické mapy v měřítku 1:50 000. Druhou oblastí aplikace navigačního systému pro pěší dopravu je použití v městské zástavbě. Na technické vybavení jsou kladeny v podstatě stejné požadavky jako v prvním případě, rozdíl je v mapových podkladech (jsou potřeba podrobnější mapy - měřítka pod 1:10 000) a ve schopnosti zobrazovat informace o objektech (památky, restaurace, hotely,...). Vhodná je zde možnost aktualizace databází navigačního systému bezdrátovými metodami.
Technické vybavení představuje zařízení pro zjištění a zobrazení polohy na digitální mapě. V případě navigace mezi městy (státy) je vhodné použití vektorových silničních map spojených s databázemi silnic a objektů vztažených k dopravě. Tyto systémy dokáží vyhledávat nejvhodnější cestu podle zadaných parametrů (nejrychlejší, nejkratší, nosnost mostů,...). Systémy určené pro navigaci ve městech mohou využívat vektorové i rastrové mapy, nebo jejich kombinace. Zvláště v případě systémů určených pro použití ve městech je vhodná možnost aktualizace databází navigačního systému bezdrátovými metodami. Do této oblasti spadají i specializované systémy pro logistiku nebo pro záchranné čí bezpečnostní složky, které mohou disponovat dalšími vlastnostmi, z nichž lze jmenovat například schopnost zobrazení aktuální polohy ostatních vozidel firmy (zásahových vozidel) v navigačním systému. Navigační systémy ve vozidlech zpravidla umožňují i takzvanou "Automatickou lokalizaci vozidla", neboli možnost vzdáleného sledování polohy vozidla a případně jeho vzdálené vyřazení z provozu například při odcizení.
Technické vybavení je identické s vybavením pro automobilovou dopravu, používají se specializované námořní nebo letecké mapy. V případě těchto aplikací se z bezpečnostních důvodů zpravidla používá současně více způsobů pro určování aktuální polohy.
V současné době existují dva globální družicové polohové systémy, které jsou prakticky bez omezení použitelné ve většině oborů lidské společnosti, tedy i v oblasti navigačních systémů. Prvním z nich je systém Navstar GPS vybudovaný a provozovaný ministerstvem obrany USA. Jedná se o pasivní dálkoměrný systém, který poskytuje možnost kdykoliv a kdekoliv na Zemi (a blízkém vesmírném prostoru) zjistit informaci o poloze a čase. Systém Navstar GPS poskytuje dvě možnosti pro měření polohy. Jsou to měření "fázová", používaná většinou pro přesná geodetická měření a měření "kódová" používaná pro běžné aplikace. Přesnost měření polohy s využitím GPS závisí na použité metodě měření a na kvalitě (=ceně) přijímače signálů GPS. Pro oblast navigačních systémů je plně postačující využití kódových měření na běžně dostupných vícekanálových přijímačích jejichž cena se pohybuje již pod hranicí 10 000 Kč. Dosahovaná přesnost měření je zde 10 m. Známou nevýhodou při měření s využitím GPS je nutnost přímé viditelnosti minimálně 4 družic. V oblasti leteckých a námořních aplikací navigačních systémů, stejně jako v oblasti navigace při meziměstské dopravě se problémy s viditelností dostatečného počtu družic nevyskytují. Problémy s nedostupností signálů z družic GPS však mohou nastat při navigaci ve městech nebo v přírodě, kde někdy dochází k zastínění družic zástavbou nebo hustým porostem. Ve většině případů výpadku signálu však stačí pokračovat v jízdě (chůzi) dosavadním směrem a po několika metrech přesunu zpravidla dojde k obnovení příjmu signálu. Větším problémem pro učení aktuální polohy jsou stále více se vyskytující podzemní komunikace ve velkých městech. Jednou z možností řešení je využití tzv. "pseudolites" neboli pseudodružic. Jedná se o elektronická zařízení umístěná přímo v problémových oblastech, která vysílají slabé signály shodné se signály z družic. Řešením, které by mělo podstatnou měrou odstranit veškeré problémy s dostupností signálů z družic bude nástup v současné době vyvíjené nové generace citlivých přijímačů. Tyto přijímače mají být údajně schopny provádět polohová měření i několik desítek metrů pod zemským povrchem. Dalším řešením je využití kombinace sítí GSM a signálů GPS.
Dalším globálním polohovým systémem je ruský systém GLONASS. Systém je teoreticky schopen poskytovat stejné služby pro navigaci jako systém GPS, je však třeba poznamenat, že nemalé problémy ruské ekonomiky se promítají i do technických oblastí a tak se projevují i v kvalitě systému GLONASS. Tento systém nepracuje s plným počtem družic, neumožňuje celosvětové pokrytí po celý den a je velmi nespolehlivý. Pro zajímavost k 25. prosinci 2001 bylo v provozu pouze 6 družic.
Třetí systém - evropský GALILEO je ve fázi přípravy a měl by zahájit svou funkci v roce 2008. Při jeho budování by se mělo využít i zbývajících technických prostředků systému GLONASS.
Masové rozšíření mobilních sítí GSM a stálé zdokonalování mobilních telefonů dávají možnost pro vznik navigačních systémů založených na vlastnostech sítí GSM a na využití mobilních telefonních přístrojů jako zařízení pro navigaci. Mobilní operátoři a dodavatelé technologií pro sítě GSM se zjišťováním polohy mobilních telefonů zabývají už několik let. Za tuto dobu vývojáři definovali několik metod pro lokalizaci polohy, které podle nich mají budoucnost.
Obr č. 1 Možnosti lokalizace polohy mobilního telefonu.
Existují tři kategorie metod zjišťování polohy mobilních telefonů. Nejstarší pokusy jsou založeny na lokalizaci polohy sítí GSM - těmto metodám se říká "využívající síť" (network-based, NB). Síťové metody zjišťování polohy jsou založené na znalosti konfigurace sítě GSM a chování rádiových vln. Každý mobilní operátor totiž velmi přesně zná umístění svých základnových (vysílacích) stanic (BTS), jejich rozdělení do sektorů a identifikační čísla jednotlivých sektorů (označují se jako Cell ID nebo CGI, cell global identity). Ví také, které frekvence se v těchto sektorech používají. Metoda označená zkratkou CGI+TA (Cell Global Identity + Timing Advance) využívá toho, že mobilní síť zná hodnotu CGI sektoru, ve kterém se nachází telefon. Pokud zná vyhodnocovací centrum hodnotu CGI a také TA, může určit oblast, ve které se nachází hledaný mobil, s přesností nejméně 550 metrů.
Obr č. 2 Metoda CGI+TA
Jiný postup, pro který technici používají zkratku UL-TOA (Uplink time of arrival), vyhodnocuje jenom zpoždění signálu vysílaného z mobilního telefonu. Každý mobilní telefon totiž má svůj interní časovač, který je synchronizovaný se sítí GSM - jinak by mezi nimi nefungovala komunikace. Když vyhodnocovací centrum zná čas, kdy mobil začal vysílat (každé vysílání je označeno časovou známkou), který srovná s časem, kdy data dorazila do BTS (jejíž polohu přesně zná), může vyhodnotit zpoždění signálu (jeho rychlost je známá) a z něj vypočítat vzdálenost od BTS. Pokud je mobilní telefon v dosahu dalších tří BTS, se kterými dokáže komunikovat, je možné vypočítat při znalosti zpoždění komunikace se všemi stanicemi polohu s přesností na 50 až 150 metrů. Přesnější lokalizaci mobilu touto metodou brání různé odrazy a zalomení rádiového signálu (především v městských oblastech). V důsledku toho je lokalizace v otevřené krajině přesnější než ve městech.
Novější metody jsou metody "využívající mobilní terminál" (terminal/handset-based, TB). Zatímco u metody využívající síť není vyžadována spolupráce mobilního telefonu (ten působí jako pasivní, sledovaný prvek, k zjištění polohy není jeho spolupráce potřebná), u metod využívajících mobilní přístroj probíhá zjišťování polohy právě na straně mobilního telefonu, který pro změnu nepotřebuje aktivní spolupráci mobilní sítě. Zjišťování polohy využívající schopností mobilního telefonu je sice výrazně přesnější než při použití metod založených na sítích GSM, jenže díky vyšší nákladnosti a problémům při zavádění mezi uživatele se vůbec nepoužívá.
Stále platí, že nejpřesnější údaj o poloze pohybujícího se předmětu zjistíme prostřednictvím satelitního navigačního systému GPS. Jak již bylo výše zmíněno, signál z družic na oběžné dráze se téměř vůbec nešíří v budovách a hustě osídlených oblastech. Vznikly prot projekty GPS s asistencí sítě GSM (A-GPS, network-assisted GPS). Přijímač GPS totiž ke správnému určení polohy potřebuje znát polohu vysílače a přesný čas, kdy byl vyslán signál. Aby byl systém GPS dokonalejší v místech se špatnou úrovní signálu z družic, bylo by dobré použít pozemní vysílače, jejichž signál pronikne i do budov a podzemních garáží. A k tomu se velmi dobře hodí základnové stanice sítí GSM. Atomové hodiny, které se používají v družicích GPS, je možné použít i v BTS, jejíž poloha je velmi přesně známá. Pokud by byl mobilní telefon vybaven přijímačem GPS (jako např. Benefon Esc), mohl by svou polohu zjišťovat i na základě informací vysílaných sítí GSM. Podle odborníků lze dosáhnout při hustotě rozmístění vysílačů A-GPS každých 300 km přesnosti určení polohy mobilu s odchylkou 10 až 20 metrů.
Zatímco dodavatelé technologií sítí GSM se snažili operátorům prodat aplikace založené na jedné z těchto metod, ti se raději pokusili oba zmiňované postupy zkombinovat - výsledkem je lokalizace polohy založená na aplikacích SIM toolkit, které kombinují spolupráci telefonu se sítí GSM. Je však třeba poznamenat, že SIM toolkitové aplikace využívají více schopnosti mobilní sítě než telefonu. Mobilní operátoři poskytují na základě zjištěné polohy mobilního telefonu požadované informace o objektech a to jak formou textových pokynů, tak pokud to mobilní přístroj umožňuje, formou jednoduché mapky nebo směrovky.
Obr č. 3 Navigace na mobilním telefonu.
V případě výpadku nebo nedostupnosti navigačních metod založených na příjmu rádiových signálů lze použít i takzvané "inerciální navigační přístroje". Tyto přístroje jsou založeny na mechanickém nebo elektronicko-mechanickém principu a jsou schopny po určitou dobu podávat informace o směru, zrychlení, rychlosti a čase pohybu s vyhovující přesností. Z těchto údajů je pak možné vypočítat aktuální polohu. Po určité době je však nutné tyto přístroje korigovat - využívá se znalost pozice z GPS v době dostupnosti. Tyto přístroje (např. gyroskopy) se využívají například v ponorkách po dobu plavby pod hladinou.
První skupinou technických zařízení pro navigaci jsou GPS přístroje vybavené grafickými displeji, pamětí, a navigačním software, které dovolují nahrát do přístroje mapové a jiné informace a pracovat s nimi. Využitelnost takovýchto zařízení je zejména pro pěší navigaci, díky jejich nízké hmotnosti a integraci funkcí do jednoho přístroje. Vyskytují se zde problémy se získáváním a aktualizací mapových dat - přijímače zpravidla vyžadují speciální formáty.
Obr č. 4 GPS přijímač s velkým grafickými displejem
Druhou skupinou zařízení, vhodnou k použití do vozidel, lodí nebo letadel jsou takzvané "OEM moduly". Na trhu jsou běžně dostupné přijímače GPS a GSM ve formě miniaturních elektronických obvodů, určených k zabudování do dopravních prostředků. Jako vstupně/výstupní zařízení zde slouží multifunkční palubní počítače s grafickými displeji zabudované do palubní desky dopravního prostředku. Palubní navigační systémy zpravidla využívají mapová a doplňková data uložená na CD a proto disponují obsáhlými a podrobnými informacemi. Opět zde bývá problém se získáváním dat.
Třetí možností je využití klasických (a levných) přijímačů GPS v kombinaci s kapesními počítači (PDA) nebo notebooky (také levnými - nejlépe pokud je již vlastníme) a software pro práci s digitálními mapami a databázemi. Výhodou těchto zařízení je jejich nezávislost na mapových formátech - existuje vždy několik možností volby software pro navigační systém, včetně software pro GIS, které dovedou pracovat s různými mapovými formáty a dovolují si vytvářet nebo aktualizovat vlastní mapy. Takováto zařízení umožňují zároveň provádění mnoha jiných funkcí (multimedia, e-mail, Internet - meteorologie). Jistou nevýhodou je zde citlivost takových zařízení na klimatické vlivy při použití v terénu.
Obr č. 5 PDA iPAQ v kombinaci s CF GPS PRETEC
Poslední, již výše zmíněnou možností je využití mobilních telefonních přístrojů s grafickými displeji. Zde je však uživatel plně odkázán na služby mobilního operátora a omezené grafické možnosti přístroje. Tyto služby jsou navíc placené "za využití" a stále pro uživatele poměrně nákladné. Výhodou pro uživatele je to, že není potřeba nakupovat a nosit sebou jiná zařízení a využívá se již vlastněná technologie, což dovoluje masové nasazení těchto služeb.
Aktuálnost mapových a doplňkových dat je jedním z nejdůležitějších požadavků pro vytvoření a provoz navigačního systému. Data lze aktualizovat buď z pevných datových médií, nebo prostřednictvím pevného nebo bezdrátového přístupu k Internetu a databázím. První dvě možnosti jsou obecně známy a používány. Možnost bezdrátové aktualizace dat je poměrně nová a rozvíjí se spolu s rozvojem bezdrátových komunikací, zejména pak datových služeb na bázi GSM sítí. Nástup technologie GPRS přinesl do této oblasti zcela nový rozměr. Umožnil nepřetržité on-line aktualizace dat. Tato výhoda je zřejmá zejména při nasazení navigačního systému ve velkoměstech nebo na dálnicích, kde systém dokáže z aktuálně přijatých informací o dopravní situaci dynamicky generovat nejefektivnější cestu k cíli a dokáže se vyhnout zácpám. Stejné výhody má možnost on-line spojení i pro aktualizaci navigačních systémů pro pěší určených do měst - je možné doplnit informace o probíhajících akcích.
Nemalý význam pro bezdrátovou aktualizaci dat v blízké budoucnosti bude mít nastupující technologie Bluetooth. Možnost pořízení a aktualizace dat o navštěvovaném městě z terminálu umístěného na letišti nebo nádraží bude jistě přínosem stejně jako doplnění informací o síti čerpacích stanic a hotelů při průjezdu hraničním přechodem.