Σύστημα πλοήγησης αυτοκινήτου

Το σύστημα πλοήγησης οχημάτων βασίζεται στο σύστημα εντοπισμού θέσης GPS (Global Positioning System). Αποτελείται από ένα σύνολο συσκευών που, συνεργαζόμενες έχουν ως αποτέλεσμα την καθοδήγηση του οδηγού του οχήματος έτσι, ώστε, μέσω ηλεκτρονικού χάρτη καθοδήγησης να φτάσει στον προορισμό του. Το σύστημα αυτό βασίζεται σε ένα σύνολο δορυφόρων το οποίο, ως αρχικός οδηγός, δίνει πληροφορίες σε μια ηλεκτρονική συσκευή εγκατεστημένη στο όχημα και συνεργάζεται, με το κατάλληλο λογισμικό, με ενσωματωμένους ηλεκτρονικούς χάρτες, ώστε να μπορεί ο οδηγός να εντοπίζει σε αυτούς την θέση στην οποία βρίσκεται με το όχημά του.

Ιστορική αναδρομή

Το πρώτο δορυφορικό σύστημα, ήταν ένα σύστημα που κατασκευάστηκε από τον στρατό των ΗΠΑ το 1960. Οι δορυφόροι εγκαταστάθηκαν στις καθορισμένες τροχιές τους και μετέδιδαν (ραδιοφωνικά) σήματα σε γνωστή συχνότητα. Η λαμβανόμενη συχνότητα διαφέρει ελαφρά από τη συχνότητα ραδιοφωνικής μετάδοσης, λόγω της μετακίνησης του δορυφόρου όσον αφορά το δέκτη (φαινόμενο Doppler). Με τον έλεγχο αυτής της μετατόπισης συχνότητας σε σύντομο χρονικό διάστημα, ο δέκτης μπορεί να καθορίσει τη θέση του στην μία ή στην άλλη πλευρά του δορυφόρου. Διάφορες τέτοιες μετρήσεις συνδυάζονται με ακριβή γνώση της τροχιάς του δορυφόρου και μπορούν να καθορίσουν μία συγκεκριμένη θέση.
Ταυτόχρονα με το GPS, η πρώην Σοβιετική Ένωση προχώρησε στη δημιουργία ενός παρόμοιου συστήματος προσδιορισμού θέσης με την ονομασία GLONASS. Αρχικά, ο χαρακτήρας του συστήματος GLONASS ήταν στρατιωτικός, αντίστοιχος με το GPS, και κάλυπτε τις ανάγκες της Πρώην Σοβιετικής Ένωσης και των συμμαχικών της χωρών. Με τη διάλυση της Σοβιετικής Ένωσης και τις αλλαγές σε πολιτικό επίπεδο, η χρήση του συστήματος GLONASS άρχισε να επεκτείνεται και έξω από τα σύνορα της Σοβιετικής Ένωσης. Τα τελευταία χρόνια έχει γίνει μια σημαντική προσπάθεια για την συνεργασία των συστημάτων GPS και GLONASS, η οποία δίνει μεγαλύτερη κάλυψη της επιφάνειας της γης για τους χρήστες των συστημάτων αυτών και μεγαλύτερο πλήθος παρατηρούμενων δορυφόρων.

Μέθοδος προσδιορισμού θέσης

Η μέθοδος RTK (Real Time Kinematic / Σχετικός κινηματικός προσδιορισμός) είναι κινηματικός προσδιορισμός, στην οποία χρησιμοποιούνται δύο δέκτες (base – rover) L1/L2, και είναι η μοναδική που μπορεί να δώσει αποτελέσματα καθώς και πληροφορίες για την ποιότητα της λύσης σε πραγματικό χρόνο. Για τη λειτουργία της μεθόδου, απαιτείται επικοινωνία μεταξύ των δεκτών, η οποία πραγματοποιείται είτε με κάποιο μόντεμ UHF είτε με κάποιο μόντεμ GSM/GPRS. Ο κινητός δέκτης λαμβάνει συνεχώς διορθώσεις από τη βάση και τις χρησιμοποιεί για να επιλύσει εν κινήσει (On The Fly) τις ασάφειες φάσης. Πλέον, ο χρήστης μπορεί να αποτυπώνει σε περιοχές περιορισμένης ορατότητας σε δορυφόρους (φυσικά ή τεχνητά εμπόδια) χωρίς να χάνεται χρόνος για επανέναρξη. Η ακρίβεια της συγκεκριμένης μεθόδου είναι της τάξης του εκατοστού και ο χρόνος που χρειάζεται είναι της τάξης του 1 δευτερολέπτου.

Δορυφόρος

Το όλο σύστημα αποτελείται από 28 τεχνητούς δορυφόρους. Το «Global Positioning System» (GPS) είναι το μόνο πλήρως λειτουργικό σύστημα πλοήγησης στην Γη (satellite navigation system).
Ένας αστερισμός με GPS που μεταδίδουν ακριβή σήματα συγχρονισμού σε ραδιοφωνικούς ηλεκτρονικούς δέκτες GPS μας επιτρέπουν να καθορίσουμε ακριβώς μία θέση (γεωγραφικό μήκος, γεωγραφικό πλάτος, ύψος) ημέρα ή νύχτα, με οποιοδήποτε καιρό.
Από τότε που το GPS έγινε πλήρως λειτουργικό το 1993, έχει γίνει εργαλείο ζωτικής σημασίας και σφαιρικής χρησιμότητας, αρκετά χρήσιμο στο αυτοκίνητο και ακόμα πιο αναγκαίο για την σύγχρονη ναυσιπλοΐα. Το GPS επίσης παρέχει και ακριβής χρονικές αναφορές, που απαιτούνται για κάποιες επιστημονικές έρευνες, συμπεριλαμβανομένης και της μελέτης των σεισμών.
Το σύστημα αύξησης εκτενών ζωνών (WAAS), διαθέσιμο από τον Αύγουστο του 2000, αυξάνει την ακρίβεια του GPS μέσα σε 2 μέτρα για τους συμβατούς δέκτες. Με το GPS η ακρίβεια μπορεί να βελτιωθεί σε 1 εκατοστόμετρο, χρησιμοποιώντας άλλες τεχνικές όπως την διαφορική εξίσωση του GPS (DGPS).

DGPS

Βασίζεται σε επίγειους σταθμούς οι οποίοι εκπέμπουν σε FM ή ΑΜ. Δεν μπορούν όλοι οι δέκτες να εκμεταλλευτούν αυτό το σήμα. Η εμβέλεια των σταθμών φτάνει ως και 600 χλμ Οι σταθμοί κρατάνε στατιστικά στοιχεία για την θέση των δορυφόρων, έτσι ώστε μπορούν να διορθώνουν τα σφάλματα στο σήμα και τα εκπέμπουν στους δέκτες ώστε να διορθώσουν αντίστοιχα τους υπολογισμούς.
Η ακρίβεια μέσω της διόρθωσης φτάνει τα 3 - 5 μέτρα.

WAAS

Το σύστημα αποτελείται από 25 επίγειους σταθμούς στην Βόρεια Αμερική. Παρέχει διορθωτικά δεδομένα τα οποία μεταδίδονται από έναν κεντρικό επίγειο σταθμό πίσω στους δορυφόρους και από τους δορυφόρους στους δέκτες. Αυτό σημαίνει ότι δεν χρειάζεται να είμαστε κοντά σε κάποιον επίγειο σταθμό για να εκμεταλλευτούμε τα δεδομένα αυτά.
Τα σήματα μεταδίδονται όπως και στο βασικό GPS, άρα δεν χρειάζεται να υπάρχουν ειδικά κυκλώματα στον δέκτη.
Οι γεωστατικοί δορυφόροι που υποστηρίζουν το WAAS (τελευταία πληροφόρηση 02/2004) είναι πάνω από τον Ειρηνικό και τον Δυτικό Ατλαντικό και καλύπτουν την Βόρεια Αμερική.
Παρέχει, ωστόσο, λίγες δυνατότητες όταν χρησιμοποιείται έξω από την περιοχή κάλυψης των επίγειων σταθμών. Σε αρκετά μακρινές περιοχές (όπως στην Αυστραλία) έχει παρατηρηθεί ότι οι διορθώσεις του WAAS έχουν προκαλέσει λάθη στους υπολογισμούς και συνεπώς απόκλιση στην θέση του δέκτη.
Η ακρίβεια μέσω της διόρθωσης φτάνει τα 2 - 3 μέτρα.

EGNOS-Galileo

Αυτή τη στιγμή το σύστημα χρησιμοποιείται σαν διορθωτικό του GPS, όπως και το WAAS. Οι δέκτες που υποστηρίζουν το EGNOS υποστηρίζουν και WAAS. Δημιουργήθηκε για τις ανάγκες της Ευρωπαϊκής Ένωσης.
Αποτελείται από 3 γεωστατικούς δορυφόρους και 34 επίγειους σταθμούς. Στην πλήρη υλοποίηση του θα είναι ένα σύστημα αντίστοιχο με το GPS, θα δουλεύει όμως και ανεξάρτητα, με ονομασία Galileo και θα υποστηρίζεται από 30 δορυφόρους.
Βρίσκεται σε δοκιμαστική περίοδο ήδη από το 2000. Η πλήρης υλοποίησή του, προγραμματίζεται να ολοκληρωθεί το 2014  και θα παρέχει ακρίβεια λιγότερη του ενός μέτρου.

Ο δέκτης

Τα δορυφορικά συστήματα επιτρέπουν στις μικρές ηλεκτρονικές συσκευές να καθορίσουν θέσεις (γεωγραφικό μήκος, γεωγραφικό πλάτος και ύψος) μέσα σε μερικά μέτρα χρησιμοποιώντας τα χρονικά σήματα που μεταδίδονται με ραδιοσυχνότητες από τους δορυφόρους. Οι δέκτες στο έδαφος σε σταθερή θέση βέβαια, μπορούν να χρησιμοποιηθούν και για επιστημονικά πειράματα που χρειάζεται ορισμός θέσεως.
Για να έχουμε έναν πλοηγό στο αυτοκίνητο, αρκεί να εφοδιαστούμε με μία κατάλληλη συσκευή η οποία να έχει ενσωματωμένο GPS. Από την δεκαετία του 1990, πολλοί κατασκευαστές αυτοκινήτων άρχισαν να τοποθετούν στην κεντρική κονσόλα του αυτοκινήτου μία οθόνη, η οποία εκτός από τις λειτουργίες που αφορούν στο αυτοκίνητο (ραδιόφωνο,κατανάλωση,υπολογιστής ταξιδιού κτλ.), μπορεί να μετατραπεί και σε πλοηγό. Για να γίνει βέβαια αυτό, πρέπει ο κατασκευαστής να έχει εφοδιάσει το όχημα με τον απαραίτητο εξοπλισμό (GPS, μονάδα, κεραία κτλ). Το μόνο που πρέπει να κάνει ο οδηγός, είναι να ενσωματώσει στη συσκευή με κάποιον τρόπο τους χάρτες που τον αφορούν.
Αν ο κατασκευαστής δεν έχει εξοπλίσει με κάτι τέτοιο την συσκευή, ο οδηγός θα πρέπει να εφοδιαστεί με μία συσκευή-πλοηγό (φορητό υπολογιστής τσέπης / pocket pc), ένα ρολόι ή και ένα κινητό τηλέφωνο) και να το τοποθετήσει σε κάποιο βολικό για την παρακολούθησή του σημείο στο εσωτερικό του αυτοκινήτου, ώστε να καθοδηγείται από αυτό. Το πλεονέκτημα του μηχανήματος αυτού είναι ότι με το να είναι φορητό, εκτός από το αυτοκίνητο, μπορεί να χρησιμοποιηθεί από τον κάτοχο του και αλλού, όπως σε ένα σκάφος, σε δεύτερο αυτοκίνητο, στο σπίτι (αν είναι υπολογιστής) κτλ.

Συνεργασία δορυφόρου - δέκτη

Διάφορες μετρήσεις μπορούν να γίνουν συγχρόνως σε διάφορους δορυφόρους, επιτρέποντας με μια συνεχή αποτύπωση στον δέκτη και να παραχθούν στον πραγματικό χρόνο.
Κάθε απόσταση μέτρησης, ανεξάρτητα από το σύστημα που χρησιμοποιείται, τοποθετεί το δέκτη σε μια σφαιρική θέση σε συγκεκριμένη απόσταση από τον εκφωνητή. Με τη λήψη διάφορων τέτοιων μετρήσεων και την έρευνα ενός σημείου όπου συναντιούνται, παράγεται μια αποτύπωση. Εντούτοις, στην περίπτωση των γρήγορων δεκτών, η θέση του σήματος κινείται όπως τα σήματα παραλαμβάνονται από διάφορους δορυφόρους. Επιπλέον, τα ραδιοκύματα παρουσιάζουν επιβράδυνση καθώς περνούν μέσω της ιονόσφαιρας, αυτή η επιβράδυνση ποικίλλει ανάλογα με τη γωνία του δέκτη στο δορυφόρο, επειδή αλλάζει η απόσταση μέσω της ιονόσφαιρας.
Ο βασικός υπολογισμός προσπαθεί έτσι να βρει την πιο σύντομη κατεύθυνση της εφαπτομένης γωνίας στους 4 πόλους που τοποθετούνται σε 4 δορυφόρους.
Οι δορυφορικοί δέκτες πλοήγησης μειώνουν τα λάθη με τη χρησιμοποίηση των συνδυασμών σημάτων από τους πολλαπλάσιους δορυφόρους και έπειτα την χρησιμοποίηση των τεχνικών όπως το φιλτράρισμα Kalman για να περιοριστεί ο θόρυβος.

Λειτουργία του δέκτη

Η λειτουργία ενός συστήματος πλοήγησης αυτοκινήτου έχει ως εξής:
α) Άνοιγμα της συσκευής - και αν είναι υπολογιστής τσέπης, επιλογή του προγράμματος πλοήγησης που έχουμε εφοδιαστεί
β) Αναμονή για την λήψη σήματος μέσω δορυφόρου
γ) Επιλογή προορισμού με εισαγωγή οδού, είτε με καθορισμό ενός σημείου στο χάρτη
δ) Επιλογή του τρόπου μετάβασης (συντομότερο σε χλμ. ή μέσω κεντρικών οδόν)
ε) Αναμονή για τον υπολογισμό της επιλεγμένης διαδρομής
στ) Επιλογή της διαδρομής - εμφανίζεται στην οθόνη και καθοδηγεί τον οδηγό καθ' όλη την πορεία μέχρι τον τελικό προορισμό, δίνοντας σχηματικές και φωνητικές κατευθύνσεις για την πορεία. Η πορεία που έχει επιλεγεί είναι μαρκαρισμένη στο χάρτη με διαφορετικό χρωματισμό, ώστε να μπορεί να βλέπει ο χρήστης της συσκευής όλη την διαδρομή που θα διανύσει.
Σε όλη τη διαδρομή επίσης μπορεί να παίρνει πληροφορίες για την απόσταση και το χρόνο μέχρι τον προορισμό, την ταχύτητα με την οποία κινείται το όχημα, καθώς και το υψόμετρο που βρίσκεται .

Άλλες δυνατότητες ενός δέκτη

Τα περισσότερα συστήματα πλοήγησης συνδυάζουν την λειτουργικότητα με τη διασκέδαση. Με έναν τέτοιο δέκτη, μπορεί κανείς να παρακολουθεί ταινίες και βίντεο κλιπ, να ακούει τραγούδια, να συνδέεται στο Διαδίκτυο, ως και να παρακολουθεί τηλεοπτικές εκπομπές.
Επίσης, σημαντικό είναι να τονιστεί ότι ανάλογα με το πρόγραμμα πλοήγησης που έχει επιλεγεί για τη συσκευή, είναι δυνατή η ενημέρωσή του με διάφορα πρόσθετα που προσφέρονται από το λογισμικό, που παρέχουν ορισμένες διευκολύνσεις. Τέτοια είναι διάφορα σημεία ενδιαφέροντος ανά περιοχές, επικίνδυνα σημεία δρόμων, διάφορα καταστήματα, κέντρα διασκέδασης, τράπεζες, σταθμοί βενζίνης, ξενοδοχεία, σχολεία, αθλητικά κέντρα, δημόσιες υπηρεσίες και πολλά άλλα ανάλογα με το πρόγραμμα και τις δυνατότητες του.

Επιλογή κατάλληλης συσκευής

Για να επιλέξει κανείς τον κατάλληλο δέκτη, αν δεν είναι εφοδιασμένο το αυτοκίνητό του εξ' αρχής, θα πρέπει αρχικά να έχει αποφασίσει τι ακριβώς θέλει να κάνει με την συγκεκριμένη συσκευή εκτός από την χρήση του σαν πλοηγό (π.χ. κινητό τηλέφωνο ή υπολογιστής). Στη συνέχεια, το κόστος της κάθε συσκευής είναι σημαντικός παράγοντας για την τελική επιλογή και επηρεάζει τον κάθε υποψήφιο αγοραστή.
Όλες οι συσκευές αυτού του είδους συνοδεύονται με μία βάση, η οποία τοποθετείται στο όχημα σε κάποιο ορατό για τον οδηγό σημείο, χωρίς όμως να τον εμποδίζει κατά την οδήγηση. Αυτό σημαίνει ότι θα πρέπει να έχει λάβει κάνεις υπόψη του το χώρο που του παρέχεται και το μέγεθος της συσκευής.
Τέλος, το πιο σημαντικό στο όλο σύστημα είναι το λογισμικό με το οποίο θα εφοδιαστεί η συσκευή. Το πρόγραμμα πλοήγησης θα πρέπει να καλύπτει τις απαιτήσεις του χρήστη σε ότι αφορά στην χρήση του, να είναι εφοδιασμένο με τους κατάλληλους, ενημερωμένους χάρτες, καθώς και να υποστηρίζεται με αναβαθμίσεις (συνήθως μέσω Διαδικτύου) για να μπορεί πάντα να δίνει σωστές πληροφορίες. Επίσης, στις αναβαθμίσεις συμπεριλαμβάνονται και όσες αφορούν στα πρόσθετα που ίσως έχουν τοποθετηθεί στο δέκτη, γιατί και αυτά χρειάζονται συχνή ενημέρωση.