Обзор рынка микросхем и модулей для спутниковой навигации. ПО для навигации. Отечественный рынок GPS-модулей

Инструкция

Общая информация о SiRF Star III
Беспроводной Bluetooth GPS приемник предназначен для приема данных от системы глобального позиционирования GPS и передачи обработанной информации по средствам интерфейса Bluetooth. Основу прибора составляет чипсет SiRF Star III с применением технологии энергосбережения. Питание приемника осуществляется от сменного Li-Ion аккумулятора. Прибор SiRF Star III может использоваться не только для передачи информации на компьютер или КПК через интерфейс Bluetooth, но и как USB GPS приемник при передаче данных на устройство по кабелю без использования интерфейса Bluetooth.
Определение местоположения является необходимым в таких областях как автонавигация, картография, геодезия, обеспечение безопасности и многих других. Для работы прибора необходим лишь открытый доступ к небу и стабильное электропитание. Прибор SiRF Star III связывается с другими устройствами посредством интерфейса Bluetooth, RS-232 или USB совместимого интерфейсом. Встроенный аккумулятор позволяет сохранять информацию, полученную при предыдущем использовании, такую как уровень сигнала от спутника, его последнее местоположение, дату и время. Обладая низким энергопотреблением, прибор может отслеживать до 20 спутников одновременно, получая информацию от спутников с частотой 100 мс и обновляя данные о местоположении каждую секунду.

ХАРАКТЕРИСТИКИ SiRF Star III

В основе современных спутниковых систем определения координат лежит метод триангуляции, при котором навигационный приемник определяет расстояние до навигационных спутников по времени распространения радиосигналов. Для вычисления географических координат (широта и долгота) необходимо наличие сигналов от трех спутников. Если имеются сигналы от четырех спутников или более, приемник помимо координат может вычислить еще и высоту над земной поверхностью.

Введение. Современные системы спутниковой навигации

В настоящее время на различных стадиях разработки или эксплуатации находятся три глобальные системы спутниковой навигации. Это американская Navstar, которую обычно и называют GPS (Global Positioning System - глобальная система позиционирования), российская ГЛОНАСС и европейская Galileo. Региональные системы, рассчитанные на покрытие определенных территорий, разрабатывают Китай, Индия и Япония. Американская GPS - это единственная на сегодня система с полной спутниковой группировкой. Для глобального и непрерывного покрытия всей земной поверхности требуется 24 космических аппарата, находящиеся на круговых орбитах в трех орбитальных плоскостях. В системе GPS имеется 28 спутников, 4 из которых находятся в резерве на случай выхода из строя основных аппаратов. Орбитальная группировка отечественной системы ГЛОНАСС из-за недостатка ассигнований в 90-х годах прошлого столетия значительно сократилась, и в настоящее время в системе работает лишь 11 спутников. Еще 6 аппаратов выведены из эксплуатации из-за неисправностей или как выработавшие свой ресурс. Вместе с тем, за счет реализации программы запусков новых космических аппаратов предполагается, что к концу нынешнего года на орбите будут работать 18 спутников, что должно обеспечить практически 100% непрерывное покрытие территории России. Полное развертывание системы ожидается к 2010 году. Европейская система Galileo пока состоит всего из одного аппарата, и сроки развертывания системы постоянно откладываются. Поэтому рассчитывать на использование Galileo в ближайшее время было бы неправильно.

Таким образом, подавляющее большинство GPS-приемников в настоящее время работают только с американской системой Navstar, и ожидать кардинального изменения ситуации в скором будущем не приходится.

Спутниковая навигация в последние годы из разряда экзотики уверенно превращается в массовую технологию. GPS-модулями оснащают все большее число смартфонов, карманных компьютеров и мобильных телефонов. Все шире используются автомобильные навигаторы, охранные и диспетчерские автомобильные системы. Активно развивается рынок персонального мониторинга, скрытного слежения за подвижными объектами, поиска потерянных или похищенных грузов или транспортных средств. Несмотря на разнообразие навигационного оборудования, производителей наборов микросхем для портативного оборудования, обрабатывающих сигналы GPS (так называемых GPS-чипсетов), можно пересчитать по пальцам, а ведущих производителей - даже по пальцам одной руки. В данной статье рассматриваются характеристики основных GPS-чипов и модулей на их основе, применяемых в устройствах для массового рынка. Наборы микросхем для специализированных устройств (геодезического, морского, авиационного или военного применения) здесь рассматриваться не будут.

GPS-чипы ведущих производителей и их характеристики

Сегодня основными производителями GPS-чипсетов для портативных устройств являются SiRF Technology Inc. и u-Blox AG. На базе чипов этих производителей работают более 90% портативных изделий с функциями GPS-навигации. Кроме того, микросхемы для работы с GPS выпускают такие гиганты, как STMicroelectronics (STM) и Texas Instruments, а также менее известные компании - Mediatek Inc. (MTK), eRide, Nemerix и u-Nav Microelectronics.

Основные характеристики последних разработок ведущих производителей GPS-чипов приведены в таблице 1. Чипсеты предыдущего поколения, хотя и выпускаются еще, по своим характеристикам заметно проигрывают.

Таблица 1. Основные характеристики GPS-чипов

Американская компания SiRF Technology - признанный мировой лидер в производстве GPS-чипсетов для портативных устройств и автомобильной навигации. Около 70% всех устройств с функцией GPS в мире содержат чипы SiRF. Еще на заре своего развития компания сконцентрировала внимание на разработке и производстве микросхем, а также внутренних программ («прошивок») для них. Модули на базе чипсетов SiRF выпускают многие производители по всему миру, и значок “SiRF powered” стал для потребителей своеобразным «знаком качества». Компания SiRF выпускает несколько вариантов чипов архитектуры SiRF Star III. Чипсет GSC3f/LP - пионер линейки, и большинство модулей, имеющих в своем составе SiRF Star III, построено именно на его базе. Однако разработки компании не стоят на месте, и появляется GSW3LTf - чип с пониженным потреблением и значительно улучшенной чувст вительностью. Единственный минус GSW3LTf - несколько напряжений питания - отсутствует в GSW3LTif, который на сегодня является наиболее перспективным изделием SiRF. Одной из последних разработок SiRF является технология SiRFDiRect, позволяющая определять местоположение при временной потере сигналов от спутников. Для этого используются дополнительные датчики - гироскоп и трехосный акселерометр в интегральном исполнении. Специальное программное обеспечение SiRFDiRect позволяет с довольно высокой точностью вычислять координаты при кратковременных пропаданиях сигналов GPS. При пропадании сигналов на время до 10 с вносимая погрешность не превышает 10 м. Технология SiRFDiRect уже используется некоторыми производителями конечного пользовательского оборудования.

Швейцарская u-Blox - второй крупный игрок на рынке GPS-чипсетов и модулей. До недавнего времени u-Blox поставляла свои изделия в основном производителям конечного оборудования, например чипы u-Blox используются в автомобильном производстве и сетевом оборудовании для мобильной связи. Однако в последнее время компания заявляет об изменении приоритетов и выходе на массовый рынок. Сейчас уровень производства микросхем u-Blox составляет около 250 000 штук в год, с тенденцией к увеличению. Текущая продуктовая линейка компании включает чипсет Antaris 4, выпускаемый Atmel, с внутренним ПО производства u-Blox. Модули на базе Antaris 4 (ATR 0635) выпускает как u-Blox, так и ряд сторонних производителей. По основным параметрам ATR 0635 не уступает конкуренту от SiRF - GSC3f/LP. Но при применении в условиях плохой обсервации или слабых уровней сигнала «кучность» измерений оставляет желать лучшего. Несколько первых отсчетов, полученных с использованием ATR 0635 при холодном старте, могут отличаться от реального местоположения на 2–3 км. Перспективный набор микросхем - u-Blox 5 (UBX-G5010) - разработан и производится без участия Atmel, по контрактам с рядом азиатских производителей. По утверждению разработчиков нового чипсета, проблема «выбросов» при холодном старте в нем полностью решена. u-Blox также предлагает решение для определения координат при пропадании сигналов GPS - Dead Reckoning. В отличие от SiRFDiRect, решение от u-Blox предназначено только для автомобильного применения и требует обязательного подключения к спидометру автомобиля, что в ряде случаев просто невозможно.

eRide - сравнительно молодая компания, специализирующаяся только на разработке GPS-микросхем и модулей. Чипсет этой компании Opus III (eOP3100Q) обладает поразительной чувствительностью –161 дБм. Однако по потребляемой мощности этот набор микросхем значительно отстает от лидеров рынка. Тем не менее, возможно применение чипсета в M2M-системах. Например, Wavecom использует решение от eRide в Fastrack Supreme, позиционируемом как изделие для мониторинга подвижных объектов. Очевидно, что для портативных устройств с автономным питанием применение изделий eRide нерационально.

STMicroelectronics - мировой гигант по производству полупроводниковых микросхем - также не остается в стороне от создания малогабаритных GPS-чипсетов. Несмотря на некоторое отставание от лидеров (его решение Teseo до сих пор выпускается только в двухчиповом варианте, да и появилось оно на несколько месяцев позднее конкурентов), на американском рынке STM имеет порядка 20% продаж GPS-микросхем. На европейском рынке, однако, доля STM в продаже микросхем GPS незначительна и не превышает единиц процентов. STM применяет специфическую методику оценки параметров своих изделий. В частности, чувствительность указана при теплом старте с использованием внешнего малошумящего усилителя, а время определения координат - при видимости небосвода 50% и уровнях сигналов не хуже –130 дБм. Очевидно, что, несмотря на такие уловки, реальные характеристики значительно уступают конкурентам. К сожалению, пока что на российском рынке нет модулей на базе чипа Teseo. Интересной особенностью процессорного чипа STA2058 является возможность поставки в выводном корпусе LQFP64, что позволяет создавать мелкосерийные изделия непосредственно на базе набора микросхем. Чипсеты остальных производителей, как правило, поставляются в корпусах BGA, что подразумевает крупносерийное производство или использование готовых модулей.

Азиатские производители GPS-микросхем понемногу завоевывают рынок. В качестве примера в таблице 1 приведены параметры чипсета MT3318 тайваньской Mediatek Inc. (MTK). Этот чип находит применение в изделиях не только азиатских, но и западных производителей, например Garmin применяет его в некоторых моделях навигаторов. Судя по заявленным характеристикам, MT3318 находится на одном уровне с лучшими разработками западных производителей, но значительным недостатком именно для российского рынка является заметно меньший температурный диапазон. Как показывает практика, GPS-приемники с чипами от МТК показывают нестабильную работу при отрицательных температурах.

Современные GPS-модули для встраиваемых приложений

Вместе с тем, использование микросхем того или иного производителя в изделии - не гарантия хорошей работы. Характеристики чипсета можно как улучшить (например применением малошумящего усилителя или полосового фильтра), так и ухудшить (например неудачным дизайном печатной платы или неправильной разводкой цепей питания). Даже такие именитые производители, как Nokia, неудачным дизайном могут значительно ухудшить чувствительность GPS-приемника. Ставший уже классическим пример - смартфон Nokia N95, чувствительностью GPS-приемника которого потребители были явно разочарованы. Несколько поправить ситуацию удалось только благодаря использованию A-GPS, для чего производителем было выпущено специальное программное обеспечение для смартфона.

Поэтому, если не планируется крупносерийное производство изделий, содержащих функции определения местоположения с использованием GPS, имеет смысл использовать готовые модули. Это значительно сократит время разработки изделия в целом, а также несколько снизит требования к квалификации разработчиков и конструкторов.

Однако и здесь необходимо отнестись к выбору модулей весьма осторожно. Например, при использовании модулей u-Blox нужно со швейцарской точностью соблюдать все рекомендации изготовителя, в противном случае потребитель будет сильно разочарован чувствительностью готового изделия. При использовании модулей на базе SiRF, изготовленных ведущими производителями, ограничений по дизайну меньше и они менее строгие. Например, немецкий производитель персональных трекеров Telic использовал в своем изделии Hyper Pro модуль на базе чипа SiRF предыдущего поколения. Для улучшения характеристик было принято решение заменить его на модуль от u-Blox, имеющий лучшую чувствительность и меньшее энергопотребление. Результат оказался прямо противоположным ожидаемому: чувствительность изделия в целом ухудшилась, модуль GPS постоянно находился в режиме обнаружения сигнала, и энергопотребление даже увеличилось. В итоге это явилось одной из причин снятия Hyper Pro с производства.

В таблице 2 приведены основные параметры доступных на российском рынке модулей, построенных на базе перспективных GPS-чипов.

Таблица 2. Основные параметры модулей, построенных на базе перспективных GPS-чипов

Leadtek Research Inc. - крупнейшая азиатская компания, производящая GPS-оборудование. Вместе с тем, Leadtek является крупнейшим азиатским партнером SiRF и традиционно производит модули на базе чипов этой компании. Продуктовая линейка Leadtek включает в себя GPS-модули для различных применений - от персональных навигаторов до систем промышленной телеметрии. В таблице 2 представлен ряд модулей Leadtek, доступных на российском рынке. LR9101LP и LR9102 - одни из самых малогабаритных в мире модулей GPS. Приемник LR9101LP предназначен для применения в устройствах персональной навигации и малогабаритных приборах. Наличие малошумящего усилителя (МШУ) в составе LR9101LP позволяет ему работать с пассивной антенной, что снижает энергопотребление изделия в целом. LR9102 не имеет в своем составе МШУ и поэтому оптимальным будет использование его в устройствах с малогабаритной активной антенной, например в области автомобильной навигации и скрытого слежения.

Для портативных устройств с функциями GPS-навигации имеет смысл использовать цилиндрические антенны Sarantel Geohelix. Эти антенны выгодно отличает от прямоугольных керамических антенн практически сферическая диаграмма направленности, что позволяет располагать прибор там, где это удобно пользователю, а не там, где будет лучше работать антенна. Компания Sarantel выпускает несколько видов цилиндрических антенн, как пассивных, так и активных с модификациями для наружного и внутреннего применения.

Модуль LR9548S предназначен для работы с активной антенной и имеет несколько большие, по сравнению с LR9102, габариты. Приемник находит применение в M2M-системах, где исключительно малые габариты не требуются. Это, как правило, диспетчерские системы на транспорте, промышленные системы телеметрии или системы синхронизации времени. LR9552 - это модуль со встроенной керамической антенной, размерами которой и определяются его габариты. На его базе легко создается смарт-антенна, которая дает возможность отделить высокочастотные сигналы GPS от других цепей в сложных системах. Сферами применения смарт-антенн являются как точные измерительные приборы, на работу которых влияют излучения диапазона GPS L1 (1575,42 МГц), так и наоборот, силовые цепи, которые создают сильные помехи приему сигналов GPS. Другим вариантом применения модуля LR9552 могут быть портативные приборы без жестких требований к габаритам, но с сокращенными сроками разработки. Использование LR9552 в этих случаях позволяет значительно уменьшить время, необходимое для создания прибора.

Компания Tyco - известный производитель разъемов, коммутационного оборудования и пассивных элементов. Помимо этого, компания производит GPS-модули. Большинство модулей Tyco построено на базе чипсетов STM предыдущего поколения и не представляет интереса из-за низкой чувствительности. По последним данным, компания вскоре собирается отказаться от использования модулей с чипами STM. Однако одна из последних разработок компании - модуль A1080-A - построена на базе SiRF Star III и имеет весьма привлекательные характеристики как по чувствительности, так и по габаритам. Модуль позиционируется как универсальный для работы с активной антенной. Однако по энергопотреблению он уступает не только LR9102, но и LR9548S от Leadtek, поэтому применение его в устройствах с автономным питанием нерационально. Недостатком модуля также является отсутствие внешнего экрана, что может негативно сказаться на помехоустойчивости устройства и привести как к снижению чувствительности, так и к неустойчивой работе процессорной части при наличии значительных электромагнитных излучений, например от расположенной рядом антенны GSM в портативных приборах. На момент написания статьи Tyco анонсировал еще несколько модулей на базе SiRF III.

Среди продукции u-Blox основными в продуктовой линейке являются модули LEA-4. Индекс H означает повышенную чувствительность модуля, а индекс S - отсутствие flash-памяти и, соответственно, возможности перепрограммирования. Впрочем, опыт показывает, что изменение внутренней программы GPS-модулей практически никогда не требуется, особенно при серийном производстве. Кроме того, производятся модули с индексами A (упрощенная модификация с менее высокой стоимостью), T (специализированный модуль для синхронизации времени) и P (модуль с пониженным энергопотреблением). Однако характеристики этих модулей заметно хуже LEA-4H и в таблице не приводятся. Модуль NEO-4S - новая разработка компании, которая отличается от LEA-4S значительно уменьшенными габаритами. Сейчас u-Blox выпускает модули трех типоразмеров. Это устаревший уже типоразмер TIM, выпускаемый для совместимости с предыдущим поколением GPS-модулей компании, основной на текущий момент LEA и новый типоразмер NEO, появившийся лишь в текущем году. Все вновь разрабатываемые модули pin-to-pin совместимы с модулями предыдущего поколения. Типоразмер NEO - 12×16 мм - компания также обещает поддерживать в будущих разработках. Модули LEA-5, построенные на базе нового чипсета u-Blox 5, только начинают внедряться компанией в серийное производство. Особенностью нового набора u-Blox 5, по заявлениям производителя, является возможность работы с европейской системой спутниковой навигации Galileo, чем и объясняется более высокая цена модулей LEA-5. Однако в реальности дело обстоит значительно хуже. Поддержка Galileo реализована только на уровне радиотракта, а внутренняя программа u-Blox 5 сегодня не может работать с европейскими навигационными спутниками. С другой стороны, и сама система Galileo, как было сказано выше, практически не работоспособна.

Trimble - одна из старейших компаний-производителей GPS-оборудования. Она выпускает широчайший спектр оборудования, включая продукцию военного назначения, морского и воздушного транспорта, геодезическое оборудование, системы точного времени на базе GPS. Компания пытается выйти и на рынок потребительских устройств, для чего ею разработан модуль Copernicus на базе чипсета компании u-Nav Microelectronics. Существенным плюсом модуля является довольно низкое энергопотребление - 94 мВт. Однако очень низкая, по нынешним меркам, чувствительность модуля не позволяет использовать его в персональных приборах. В стационарном же применении энергопотребление не играет столь существенной роли. По этим двум причинам Copernicus не находит пока массового применения.

Модуль eMD3500F компании eRide, построенный на чипсете Opus III, имеет хорошую чувствительность, но его чрезмерное энергопотребление не позволяет использовать это устройство не только в портативных приборах, но и в охранных системах автомобильного применения. Возможная область использования модуля - диспетчерские транспортные системы, а также стационарные приборы.

В качестве модуля с чипсетом MTK в таблице 2 приведен FV-M5 от San Jose Navigation. Характеристики, представленные производителем, достаточно привлекательны, но сочетание изготовителя модуля «второго эшелона» и менее известного чипсета таит опасности для разработчиков, описанные ранее.

Отечественный рынок GPS-модулей

Основными потребителями GPS-модулей являются производители специализированного оборудования, выпускаемого сравнительно небольшими сериями - до десятков тысяч в год. Изделия, которые выпускающиеся более крупными сериями, как правило, создаются непосредственно на базе GPS-чипсетов, что позволяет несколько снизить себестоимость. Среди специализированных устройств выделяются традиционные, выпускающиеся уже длительное время, и перспективные, находящиеся на стадии разработки или те, чье производство началось недавно. К традиционным изделиям относятся в основном охранные автомобильные комплексы и диспетчерские транспортные системы. Крупнейшими отечественными производителями охранных систем на базе GPS-навигации являются «МегаПейдж», «Си-Норд», «Альтоника». Особенностью использования GPS-приемников в этих системах является пониженное энергопотребление в спящем режиме и минимальное время холодного старта. Обычно используется активная или смарт-антенна. Габариты не имеют принципиального значения, и поэтому большинство производителей применяет модули с чипсетом SiRF (LR9548S, LR9552 или аналогичные) или модули LEA-4H/4S. Диспетчерские транспортные системы разрабатывают как те же компании, что и охранные, так и некоторые другие, например «Талисман» или «Гейзер». В отличие от охранных, на первый план здесь выходят чувствительность GPS-приемника и потребляемая мощность в активном режиме. Зачастую и в диспетчерских, и в охранных системах применяют аналогичный комплект бортового оборудования, и поэтому используются те же GPS-модули, тем более что они удовлетворяют и тем, и другим требованиям.

К перспективным изделиям относятся приборы персонального мониторинга, включая мониторинг домашних животных, приборы для скрытного наблюдения, а также закладки для обнаружения потерянных или похищенных объектов. Приборы персонального мониторинга (трекеры) отечественного производства пока что отсутствуют на нашем рынке, хотя их разработка идет полным ходом. Некоторые российские компании предлагают трекеры зарубежных производителей, которые интегрируются в отечественные системы мониторинга. К таким изделиям относятся TR-102 производства GlobalSat, PT-300 от компании Gemtek, а также S-911 от Laipac. В сегменте приборов для скрытного наблюдения компания «Си-Норд» одной из первых выпустила мобильный блок МБ-05. Это полностью автономное изделие в герметичном корпусе, предназначенное для скрытной установки на транспортные средства. Альтер нативой такому решению является герметичный корпус к трекерам, предлагаемый, например, вышеупомянутой Laipac. Помимо обеспечения устойчивости к внешним воздействиям, корпус содержит также дополнительный аккумулятор для обеспечения длительной автономной работы. Что касается приборов-закладок, по понятным причинам производители не афишируют процесс разработки подобных устройств. Из отечественных компаний пока что только «Цезарь Сателлит» предлагает изделие Cesar Tracker, предназначенное для поиска похищенных автомобилей. Однако этот прибор не содержит GPS-приемника, а определение местоположения происходит с использованием радиопеленгации. Из изделий иностранного производства этого класса с наличием GPS-модуля можно выделить Picotrack компании CeTEC. Этот прибор может использоваться либо как закладка, либо как изделие для скрытного наблюдения. В последнем случае Picotrack устанавливается в защищенный корпус с усиленным аккумулятором. Несмотря на внешние различия и совершенно разные области применения перспективных изделий, требования к GPS-приемнику аналогичные и весьма жесткие: минимальное энергопотребление в активном и спящем режимах, повышенная чувствительность, малое время определения координат, компактные габариты и устойчивость к внешним воздействиям. Кроме того, модули должны работать на пассивную антенну (для снижения энергопотребления). Достаточно хорошо удовлетворяют всем этим требованиям, как видно из таблицы 2, только LR9101LP от Leadtek и NEO-4S от u-Blox.

Для улучшения точности определения координат созданы системы внесения дифференциальных поправок (SBAS), передаваемые через специальные спутники, находящиеся на геостационарных орбитах. В настоящее время имеются следующие системы: американская WAAS, европейская EGNOS и японская MSAS. Планируется также создание аналогичной системы в Индии. Пользование системами бесплатное, и возможно улучшение точности определения местоположения в полтора-два раза. SBAS поддерживают все модули, показанные в таблице 2. Однако успешный результат при использовании этих систем достигается только на территории тех стран, которые создали и поддерживают их работу. Это США, Европейский союз и Япония. За пределами указанных территорий погрешность может не только не уменьшиться, но и увеличиться. Кроме того, европейская EGNOS работает пока в пилотном режиме, и бывают длительные (по нескольку часов) интервалы времени, когда использование EGNOS вместо ожидаемой коррекции вносит значительную дополнительную ошибку.

Для сокращения времени первого определения координат при холодном старте (TTFF) можно использовать систему A-GPS. Суть ее работы заключается в следующем. Для определения координат GPS-приемник должен иметь точные параметры орбит всех спутников (эфемериды), с которыми он работает. Он получает эти данные со спутников. Поскольку скорость передачи данных в канале «спутник - GPS-приемник» очень мала и составляет всего лишь десятки килобит в секунду, для передачи эфемерид требуется не менее 30 секунд. Это значение в основном и определяет время холодного старта. Но если есть возможность получить эфемериды по наземному каналу (проводному или беспроводному) и ввести их в GPS-приемник, время холодного старта снизится многократно. A-GPS поддерживают все модули, приведенные в таблице 2.

Еще одним способом улучшения потребительских характеристик GPS-приемников является использование инерциальных датчиков (гироскопа и трехосного акселерометра) и вычисление координат по их данным в отсутствие сигналов спутников. Эта технология реализована в решении SiRFDiRect. Это решение исключительно удобно для перспективных приборов, поскольку не требует подключения к внешним датчикам, а интегральный акселерометр и так уже устанавливается в эти изделия для определения факта движения объекта.

Модули ГЛОНАСС/GPS: проблемы и перспективы

Большинство крупных российских компаний, имеющих собственные системы мониторинга подвижных объектов, активно сотрудничают с ведомственными структурами (МВД, МЧС, министерство транспорта, РЖД). Вместе с тем, постановлением правительства РФ от от 9 июня 2005 года № 365 предписано применять аппаратуру ГЛОНАСС на всех морских и речных судах, а также на железнодорожном и автомобильном транспорте, если он используется для перевозки пассажиров, специальных и опасных грузов. Разработкой ГЛОНАСС/GPS-приемников занимаются Ижевский радиозавод, РИРВ, РНИИ КП, КБ «НАВИС», НИИМА «Прогресс». Почти все изделия отечественных предприятий отстают от уровня GPS-приемников иностранных производителей приблизительно на 10 лет. Это касается габаритов, энергопотребления и чувствительности приборов. Иностранные производители тоже некоторое время назад заинтересовались разработкой двухстандартных приемников. В частности, канадской Laipac был выпущен ГЛОНАСС/GPS-модуль TF-50. Но в прошлом году он был снят с производства из-за отсутствия спроса, поскольку не выдерживал конкуренции с одностандартными GPS-модулями лидеров рынка как по параметрам, так и по цене.

Тем не менее, одной из перспективных разработок является отечественный модуль МНП-М3 производства Ижевского радиозавода. По характеристикам модуль не только не уступает немногочисленным ГЛОНАСС/GPS-модулям как отечественных, так и иностранных производителей, но и приближается к современным одностандартным GPS-модулям среднего класса. Единственный параметр, по которому МНП-М3 значительно проигрывает - это очень высокое энергопотребление - 900 мВт. Поэтому применение модуля МНП-М3 возможно только в устройствах мониторинга с хорошим запасом по энергетике, и то лишь в тех областях, где законодательно требуется использование отечественной системы ГЛОНАСС.

Заключение

На отечественном рынке сейчас присутствует довольно большое количество GPS-модулей, предназначенных для использования в портативном оборудовании. Российские поставщики электронных компонентов предлагают продукцию Leadtek, Tyco, u-Blox, Trimble и MTK. Вместе с тем, при выборе модуля для конкретного применения следует учитывать не только его технические параметры, но и гарантии стабильных поставок, неизменность характеристик от партии к партии и от экземпляра к экземпляру, а также наличие подробной документации. На текущий момент востребованными являются модули с низким потреблением (до 160 мВт), малыми габаритами (площадью до 200 мм 2) и высокой чувствительностью (не хуже –158 дБм). Удовлетворяют всем вышеперечисленным требованиям фактически только модули на базе SiRF Star III и модули u-Blox, которые в основном и конкурируют на отечественном рынке. Продукция u-Blox отличается более низким энергопотреблением, по сравнению с модулями на базе SiRF. Как ни странно, потребление модулей на базе u-Blox 5 несколько выше, чем модулей предыдущего поколения, правда, производитель в будущем обещает его уменьшить путем снижения напряжения питания. Разработчики Tyco также в одном из новых модулей понизили напряжение питания до 1,6 В. Leadtek постоянно совершенствует свою продукцию, и энергопотребление LR9101LP снижено по сравнению с LR9101 более чем на 60 мВт. Чувствительность GPS-приемников, по заявлениям разработчиков чипсетов, приближается к теоретическому пределу, поэтому актуальной становится технология A-GPS, которая уже применяется и u-Blox, и SiRF, а также использование инерциальных датчиков. По-видимому, следует ожидать в ближайшем будущем внедрения технологии SiRFDiRect, что позволит контролировать местоположение объектов в условиях городской застройки практически постоянно. Альтернативная технология Dead Reckoning от u-Blox предназначена в основном для автомобильных применений. Другой потенциальный способ улучшения характеристик - применение двухстандартных модулей. Поддержка Galileo, сделанная в u-Blox 5, пока что не работает из-за проблем самой европейской спутниковой системы. Отечественные модули ГЛОНАСС/GPS, среди которых можно выделить МНП-М3, пока что сильно отстают от современных GPS-модулей, прежде всего по экономичности энергопотребления, и могут применяться лишь в ведомственных приложениях.

Спутниковая навигационная система становится новым обязательным атрибутом для гаджетов. Тысячи высокотехнологичных систем навигации продаются сегодня уже встроенными в КПК, UMPC (Ultra-Mobile PC), коммуникаторы, портативные автомобильные медиацентры, цифровые фотоаппараты, часы и мобильные телефоны.

Возможность определения местонахождения всегда была полезной, но она уже перешла в ту стадию развития, когда сама по себе технология ничего не стоит, то есть достаточно доброй воли производителя массовых устройств, чтобы функция определения местонахождения их обладателей была включена без существенного увеличения цены (как утверждают разработчики, при массовом производстве стоимость GPS-комплекта составит всего около 3-5 долл., то есть меньше, чем сейчас обходится фотоаппарат в мобильнике).

Более того, производители КПК первыми смекнули, что функция GPS, без преувеличения, может спасти их от надвигающейся угрозы со стороны телефонов и коммуникаторов. Появились модели КПК с модулем GPS по такой цене, по которой раньше продавались специализированные GPS-навигаторы среднего класса (то есть порядка 300-400 долл.). Такие КПК со встроенными GPS-приемниками выпускают компании Fujitsu Siemens (серия Pocket Loox), ASUS (MyPAL), Compal (Palmax) и даже известный производитель специализированных GPS-навигаторов - компания Garmin (iQue).

Однако очевидно, что спутниковый приемник таким же образом несложно интегрировать и в коммуникатор, который, по сути, является тем же КПК, но оснащенным еще одним дополнительным модулем - GSM-связью. Чуть больше года назад первой такие коммуникаторы выпустила компания Hewlett-Packard (iPAQ HW6510). Чуть позже интеграцию GPS-модулей в Windows-коммуникаторы предложили компании E-Ten и Mio Technologies. Более того, некогда ведущий производитель КПК на платформе Windows Mobile - компания Mitac, после преобразований и ребрендинга превратившаяся в Mio Technologies, полностью покинула сегмент «чистых» КПК, сконцентрировавшись на разработке коммуникаторов с GPS-навигаторами. Сегодня на рынке предлагается уже несколько навигаторов Mio DigiWalker на платформе Pocket PC от компании Mio Technologies. Не отстают от вышеупомянутых фирм-производителей и их конкуренты. Так что через год-другой можно ожидать, что функция навигации станет такой же неотъемлемой частью коммуникаторов, как сегодня фотоаппарат в мобильных телефонах.

Кстати, в комплект поставки КПК и коммуникаторов с GPS-модулями, помимо всего прочего, всегда включается набор автомобильных аксессуаров, что, безусловно, расширяет круг потенциальных покупателей таких устройств и делает их использование максимально удобным. Например, в комплекте обычно имеется не только адаптер для зарядки от прикуривателя автомобиля, но и устройство для крепления на лобовом стекле (обычно разборное, состоящее из штанги и лотка-держателя). Таким образом получается готовое коробочное решение, которое не только повышает привлекательность коммуникаторов для традиционных покупателей, но и занимает новую рыночную нишу, вытесняя оттуда специализированные GPS-навигаторы. Отметим, что для использования в автомобилях маленькие экраны КПК и коммуникаторов не слишком удобны. В условиях непременной при движении тряски на таком дисплее трудно отслеживать дороги и маршруты, а уж прочитать мелкие надписи населенных пунктов совершенно нереально. Можно, конечно, наладить звуковое сопровождение (если ПО поддерживает голосовые комментарии маршрута), чтобы использование такого устройства не наносило ущерба безопасности движения, однако это не всегда возможно. Кроме того, при автомобильном применении многофункциональность устройства причиняет определенные неудобства. Например, при входящем звонке экран телефона закрывает навигационную карту, а чтобы убрать его, необходимо выполнить какие-то действия, что очень затруднительно сделать при управлении автомобилем и что опять же наносит ущерб безопасности.

В то же время при пешем передвижении таких проблем нет (сигналы со спутников нормально принимаются, даже если навигатор находится глубоко в кармане, детали карты и названия населенных пунктов несложно рассмотреть с близкого расстояния, а переключать функции с телефона на навигатор не составляет труда), но тут возникает другое осложнение - при постоянной работе GPS-навигатора энергия аккумулятора расходуется очень быстро, поэтому полного заряда батареи хватает всего на 2-3 часа активности даже при выключении таких функций, как Bluetooth и GPRS. Конечно, есть надежда, что с развитием технологий этой проблемы удастся избежать, ведь и батареи становятся более емкими, и GPS-чипы более экономными.

Следующий ожидаемый шаг - это интеграция GPS-модуля в обыкновенный мобильный телефон, причем для работы такого навигатора вполне достаточно поддержки технологии Java. Кстати, корпорация Nokia недавно заключила соглашение с компанией Trimble Navigation (http://www.trimble.com/), благодаря которому получит эксклюзивные права на использование в своих будущих продуктах фирменных патентов и лицензий Trimble в области GPS-решений. Причем это не первая покупка компании Nokia в области GPS-навигации. До этого телекоммуникационная компания выкупила патенты у еще одного производителя навигационного ПО - Gate5. Судя по всему, финны серьезно готовятся выйти на рынок GPS-решений с разнообразными предложениями - как в виде интегрируемых в мобильные телефоны, так и в виде автономных устройств.

Модный GPS-чип SiRF Star III

GPS-приемники на чипе SiRF Star III появились относительно недавно, но уже наделали много шума среди пользователей спутниковой навигации. Действительно ли Sirf Star III настолько лучше предшественников, что стоит покупать устройства с нужными функциями именно на данном чипе?

SiRF Star III - это недорогая микросхема корпорации SiRF (http://www.sirf.com/) для микроконтроллеров GPS. Задачей чипа является обработка сигналов, принимаемых со спутников, и определение на их основе местоположения принимающего эти сигналы GPS-устройства. Компания SiRF и раньше выпускала подобные чипы для навигаторов, но они всегда представляли собой скорее бюджетные решения, а не какую-то технологическую новинку (например, устройства на базе микросхемы SiRF Star II стоили дешево, но работали не очень надежно). Однако Star III получился не только относительно дешевым, но и довольно удачным в смысле GPS-технологий. И во многом он действительно отличается как от более ранних микросхем SiRF, так и от аналогичной продукции других производителей (таких как Garmin, Magellan или Trimble) в лучшую сторону. Значительным преимуществом Star III является гораздо более быстрый расчет начальной позиции (TTFF), а также возможность обсчета слабого сигнала в условиях плотной застройки большого города или в густом лесу.

Преимущества Star III на самом деле не в усилении слабых сигналов, а в более мощном аппарате обсчета, позволяющем учитывать даже те сигналы, которые отбраковывались чипами предыдущих поколений. Таким образом, если раньше для сносной работы GPS-приемника в лесу или в городе требовалась приличная антенна большого размера (еще лучше - выносная), то теперь даже с небольшой встроенной антенной портативного устройства можно ориентироваться достаточно стабильно. Конечно, антенна тоже важна, но при прочих равных Star III работает лучше. Кроме того, он умеет бороться с переотражением сигналов, что повышает точность позиционирования в условиях плотной городской застройки.

Помимо вышеупомянутых характеристик, преимущества обеспечиваются следующими возможностями:

• микросхема SiRF Star III поддерживает 20 параллельных каналов, а не 12, как в устройствах прежних поколений. Это означает, что одновременно можно обрабатывать 20 отдельных потоков данных, полученных с различных спутников. И хотя в России это качество не может быть использовано в полной мере (столько спутников видно только ближе к экватору), оно несомненно имеет преимущество перед микросхемами, рассчитанными на 12 каналов;
• для уточнения расчета местоположения микросхема может использовать мобильные сети GSM и 3G . Данная технология известна также под именем асинхронной GPS. Такая возможность позволяет загружать эфемериду для данной местности и времени, например через Интернет, используя GPRS-соединение, а затем навигационные программы могут применять ее для вычисления текущих координат. Теоретически эта функция (вычисление Quick Position) служит для ускорения холодного старта. Но на практике вряд ли есть смысл использовать такую возможность, поскольку приемник на чипе SiRF Star III и так стартует довольно быстро, определяя свое местоположение даже в самых неблагоприятных условиях. Конечно, в том случае, когда условия приема окажутся совсем уж плохими, можно будет воспользоваться подобной грубой аппроксимацией, в противном же случае использование неточных начальных данных может отрицательно повлиять на точность позиционирования;
• можно применять поправки WAAS/EGNOS, улучшающие точность определения координат (конечно, только там, где существует базовая станция, передающая такие поправки);
• время на расчет координат в новой микросхеме сопоставимо со временем прохождения радиоволн от спутника до микросхемы контроллера;
• высокочувствительный чипсет Sirf Star III обладает пониженным энергопотреблением.

Практически все системы, использующие чип SiRF Star III, почти одинаковы: все они характеризуются сравнимыми показателями времени холодного, теплого и горячего старта, точностью позиционирования и чувствительностью. Холодный старт занимает примерно 2-3 мин (теплый - в два раза меньше), точность позиционирования составляет около 3-5 м, чувствительность приемника позволяет уверенно использовать навигатор под открытым небом на городской улице, под лобовым стеклом автомобиля, в парке или в лесу. Устройство работает даже в помещениях возле окон или в салоне автомобиля. В общем, потребительские характеристики навигаторов на SiRF Star III считаются сегодня довольно высокими и достаточными для повседневной эксплуатации, а разница между продуктами на их основе весьма незначительна.

Вообще говоря, основным достоинством чипа Star III является то, что он получился дешевым, а сравнимые по стоимости микросхемы от таких известных производителей, как Garmin или Magellan, сильно проигрывают ему по техническим характеристикам. Это вовсе не означает, что Star III сегодня безусловно самый лучший - он просто самый лучший из дешевых (например, другие производители имеют гораздо лучшие микросхемы, но стоят они очень дорого).

Такие компании, как Garmin и Magellan, очевидно, станут отстаивать собственные чипы и не будут спешить с переходом на элементную базу другой компании (например, сейчас Garmin все-таки использует Sirf Star III, но почему-то только для дорогих моделей), так что в самом ближайшем будущем, возможно, появятся новые альтернативы, но пока при покупке недорогого GPS-навигатора стоит поинтересоваться, отвечает ли за точность определения координат популярный GPS-чип SiRF Star III, который обладает отличной чувствительностью и быстрым поиском спутников.

Сейчас компания SiRF готовится к выпуску сверхмалого GPS-решения. Полноценный GPS-приемник GSCi-5000, разработанный компанией, имеет габариты 4x6x1 мм. Крохотная микросхема оснащена встроенным усилителем и синтезатором частоты, что снижает стоимость и размеры мобильного устройства в целом. О стоимости устройства пока не сообщается, но компания SiRF утверждает, что ее GPS-чип по размерам и цене оптимизирован для применения в мобильных телефонах.

Проблемы при использовании КПК в качестве GPS-навигатора

Итак, казалось бы, все хорошо: все кому ни лень начали делать недорогие GPS-приемники на базе прогрессивных чипов Sirf III, так что любой КПК можно запросто оснастить спутниковой навигацией. Однако все не так просто. Большинство дешевых устройств выпускаются пока только в виде Bluetooth-модулей (GPS-мышей), поэтому для их использования требуется наличие как минимум Bluetooth-интерфейса в КПК. Однако мало того, что не во всех КПК предусмотрен такой интерфейс, но даже там, где он есть, эта функция весьма энергоемкая. Более того, старые КПК без функции USB-хоста невозможно использовать и с теми GPS-модулями, в которых имеется USB-интерфейс. Конечно, существуют GPS-приемники и с карточными интерфейсами SD (Secure Digital) или СF (CompactFlash), но в этом случае у КПК будет занят слот, предназначенный для карты расширения памяти, а значит, негде будет хранить объемное навигационное ПО с географическими картами. Так что малой кровью проблему навигации на КПК не решить.

ПО для навигации

Проблем с программным обеспечением для GPS-навигации давно уже не существует - начиная от популярных Oziexplorer CE (для Pocket PC, http://www.oziexplorer.com/) и Tom Tom Navigator (версии которого есть не только для Pocket PC, но и для других платформ, http://www.tomtom.com/) и заканчивая такими программами, как SmartCom Navigator (http://www.wild-mobile.ru), Nav4All или GPS TrackMaker (http://www.ruslapland.ru/gps.htm). Есть программы профессиональные и сложные, а есть простые с интуитивно понятным интерфейсом и минимальным набором режимов и функций, которые превращают ваш смартфон или коммуникатор в простую, но достаточно функциональную навигационную систему, которой может пользоваться даже ребенок.

А если соединить GPS-интерфейс с GSM-функциями смартфона или коммуникатора, то можно будет организовать даже шпионскую слежку. Например, такие продукты, как WorldTracker SMS (http://www.trackingtheworld.com/wtsms.htm), позволяют отслеживать перемещение любого предмета в режиме реального времени. Принцип работы подобного устройства очень прост - небольшой приборчик, который крепится к автомобилю, сумке или к любому другому предмету, время от времени отсылает SMS-сообщение на телефон своего владельца с указанием текущего местоположения (то есть координат отслеживаемого объекта). Данные при этом WorldTracker SMS получает с помощью GPS-ресивера со встроенным чипом SiRF Star III. А использование карты местности от Google позволяет определять координаты объекта с точностью до 3 м в 95% случаев. Еще проще следить за объектом не по SMS, а в онлайновом режиме по web-интерфейсу.

Впрочем, помимо шпионства, у таких систем есть и более серьезные функции. Скажем, навигационный регистратор «Гранит Навигатор» (http://suntel.biz/) устанавливается на грузовых и легковых автомобилях и позволяет во время движения регистрировать их местоположение, скорость, направление движения, а также техническое состояние. С помощью специального ПО диспетчер автопарка может производить анализ маршрута движения автомобилей, отображать маршруты на карте города или района, планировать работу и готовить отчетную документацию.

Существует также целый ряд навигационных программ, написанных на Java и запускающихся прямо на мобильном телефоне. Единственная проблема, которая может возникнуть при использовании телефона в качестве интерфейса GPS-навигатора, - это необходимость сопряжения аппарата с внешним GPS-модулем. Самым простым вариантом, естественно, будет тандем из телефона с поддержкой Bluetooth и беспроводного GPS-приемника (GPS-мыши). Подобную программу-мидлет, которая полноценно заменит вам любой навигатор, предлагает на своем сайте немецкий разработчик Томас Бауер (Thomas Bauer). Программа odGPS 1.5 J2ME Edition распространяется абсолютно бесплатно и работает на любых мобильных телефонах и КПК с поддержкой J2ME-спецификаций CLDC 1.1 (Connected Limited Device Configuration Specification) и MIDP 2.0 (Mobile Information Device Profile Specification). Автор протестировал этот Java-мидлет на целом ряде телефонов (Siemens, Nokia и Sony Ericsson) и предлагает специальные версии для поддержки специфических особенностей тех или иных аппаратов и интерфейсов сопряжения с GPS-приемниками (http://www.biketransalp.de/html/download_odgps.html).

Есть и другие разработки подобного рода - GPSWatch (http://www.i10n.com/home) и MobiTrack (http://www.mapriga.com/GPS_BT/index.htm). Последняя программа даже имеет версию с русскоязычным интерфейсом. К сожалению, многие из таких мидлетов работают только у их разработчиков (к тому же Java-мидлеты очень требовательны к ресурсам), но это наверняка лишь до тех пор, пока GPS-навигация в телефонах не станет массовым явлением и за разработку подобных приложений не возьмутся серьезные компании-разработчики.

Вместо заключения

Итак, на рынке предлагаются вполне добротные и недорогие решения с востребованной сегодня функцией GPS-навигации. Такую функцию можно получить в КПК, коммуникаторе или даже в мобильном телефоне. Подобное портативное устройство можно порекомендовать в первую очередь тем, кто передвигается пешком или даже на общественном транспорте, но, тем не менее, нуждается в GPS-навигации. В условиях современного мегаполиса такая потребность весьма актуальна, а уж тем, кто собирается путешествовать в глухом лесу, она и вовсе необходима. Возможно, что для навигации в автомобиле вам понадобится экран побольше и вы предпочтете КПК и коммуникаторам Tablet PC или UMPC.

Однако лондонские таксисты, например, которые для получения лицензии сдают самый жесткий в мире экзамен по ориентированию в родном городе, до сих пор предпочитают полагаться на собственную память. Это неудивительно, ведь им для сдачи экзамена с целью получения заветного права на свою работу нужно знать 320 стандартных маршрутов, основные улицы, дороги, а также бесчисленное множество кратчайших путей и основных общественных зданий. Конечно, со временем ситуация может измениться, однако пока у опытных водителей определение наиболее оптимальных маршрутов получается быстрее и точнее, чем у GPS-навигаторов. А многие и вовсе не воспринимают серьезно устройства навигации, по крайней мере до тех пор, пока они не научатся показывать действительно точную и оперативную информацию о трафике и пробках на дорогах.