Долгая и извилистая дорога к внедрению GPS во все автомобили

В наши дни повсеместный доступ к GPS кажется привычным, но для этого потребовались несколько десятилетий и слияния технологий из нескольких индустрий.

Навигационная и информационно-развлекательная система с сенсорным экраном в каждом новом автомобиле или грузовике (которую все называют «GPS») сегодня воспринимается как нечто само собой разумеющееся. На самом деле, эта технология настолько вездесуща, что без нее трудно представить себе новые автомобили (хотя такие автомобили существовали и раньше – просто люди использовали магнитолы и карты). Но дорога к современным системам с навигацией и сенсорными экранами извилиста, и на ней можно выделить тройку технологий, которые развивались десятилетиями. Прошло некоторое время, прежде чем эти инновации объединились, чтобы в конечном итоге навсегда избавить нас от обычных карт (которые трудно читать и перелистывать).

В следующий раз, когда вы не будете знать, как добраться до места и будете вынуждены полагаться на карты, встроенные в дисплей вашего автомобиля, вы можете поблагодарить атомные часы, спутники, обеспечивающие работу систем глобального позиционирования, а также скромный сенсорный экран.

Точное время

Говоря о трех технологиях, которые привели к сегодняшней повсеместности использования GPS, атомные часы – одно из самых неожиданных изобретений, при этом именно атомные часы очень важны для технологии GPS. Каждый GPS-спутник содержит несколько атомных часов, которые рассчитывают время для каждого сигнала GPS с точностью до 100 миллиардных долей секунды. Это позволяет банкам определять местоположение банкомата, который вы использовали для внесения чека, и время совершения этой операции, что, в свою очередь, позволяет с высокой точностью фиксировать точную хронику всех финансовых операций. Это позволяет Федеральному управлению авиации точно отслеживать опасную погоду с помощью сети доплеровских метеорологических радаров. Это позволяет вашему оператору сотовой связи более эффективно использовать свой ограниченный радиочастотный спектр, благодаря чему вы всегда можете совершать звонки. Кроме того, таким образом обеспечивается цифровое вещание, за счет которого песни поступают на одну и ту же станцию одновременно, независимо от того, где вы находитесь.

(И нет, несмотря на название, атомные часы не радиоактивны.)

Как и традиционные часы, атомные часы отслеживают время, используя колебания. Традиционные часы считают тики, созданные колебаниями маятника. Механические наручные часы используют энергию от заводной пружины, проходящей через серию передач к балансировочному колесу, которое колеблется туда-сюда. Цифровые часы используют колебания кварцевого кристалла или колебания от электрической цепи. Независимо от технологии, все они используют колебания в качестве способа отслеживания времени, как и атомные часы.

Атомные часы используют электрический осциллятор, регулируемый естественными колебаниями атома между положительным зарядом на ядре и окружающим электронным облаком. Эти колебания никогда не меняются, поэтому, в отличие от традиционных часов, частота этих колебаний может быть использована для чрезвычайно точного измерения времени.

Идея атомных часов была разработана профессором физики Колумбийского университета Исидором Раби в 1945 году с использованием методики, которую он разработал в 1930-х годах и назвал магнитным резонансом атомного пучка. Эта концепция позволила точно измерять магнитные свойства атомных ядер путем обнаружения единичных состояний вращения атомов и молекул, а метод, в свою очередь, доказал свою осуществимость в качестве способа точного определения времени. Первые часы с использованием атомно-лучевого магнитного резонанса были введены в 1949 году Национальным бюро стандартов (ныне Национальный институт стандартов и технологий, или NIST) с использованием атомов аммиака, но они не были достаточно точными. В 1952 году наиболее точным элементом был признан цезий, который впервые был использован на часах под названием NBS-1. Семь лет спустя NBS-1 был введен в эксплуатацию в качестве основного хронометриста НИСТ.

К моменту проведения 13-й Генеральной конференции по весам и мерам в 1967 году был установлен международный стандарт: секунда времени была определена как 9 192 631 770 циклов облучения, которое требуется атому цезия для вибрации.

Впервые мировой хронометраж перестал основываться на астрономии.

Атомные часы на цезии до сих пор используются для официального времени правительства США. И эта концепция атомных часов окажется незаменимой при разработке систем глобального позиционирования в эпоху Спутника — все это связано с синхронностью, которая очень важна при разработке GPS.

Точное местоположения

Transit, первая в мире глобальная спутниковая навигационная система, которая была запущена в 1960 году.

Как и многие новые технологии, идея GPS уже использовалась, уже тогда, когда мы об этом и не подозревали.

К 1924 году, как раз в то время, когда Рэнд МакНелли напечатал первое издание «Автопомощника Рэнда МакНелли», моряки начали использовать технологии, основанные на ранних радиостанциях. Технология, называемая радионавигацией позволяла штурманам точно определять местоположение своего судна, связываясь со станциями, расположенными вдоль береговой линии и гаваней. Как только судно обращалось за помощью, несколько береговых станций определяли, откуда поступает корабельный сигнал и передавали его на судно, помогая судовому штурману зафиксировать свое местоположение.

Это заложило основу для создания современных спутниковых систем глобального позиционирования, которые начали функционировать после запуска спутника советскими войсками. Ученые Массачусетского технологического института (MIT) поняли, что они могут измерять расстояние до спутника с помощью доплеровского эффекта, измеряя частоту радиосигналов и расстояние от земных приемников и сдвиги в его радиосигнале, чтобы узнать расстояние до спутника. Радиосигналы российского спутника увеличивались по мере приближения и уменьшались по мере удаления, в отличие от звука двигателя автомобиля (его высота также меняется по мере приближения, обгона и удаления).

Это привело к тому, что в 1959 году ВМФ США построил свою первую спутниковую навигационную систему. Система под названием Transit была разработана Лабораторией прикладной физики Джона Хопкинса с использованием орбитальных спутников для передачи радиосигналов на мониторинговые станции. Эта система позволила пользователям определять свое местоположение путем измерения допплеровского сдвига сигналов спутников и, в свою очередь, была использована для слежения за местоположением атомных подводных лодок. Хотя связь и не была быстрой, она доказала надежность космических систем.

Примерно в то же время у Лаборатории военно-морских исследований и Организации по космическим и ракетным системам ВВС США были и другие идеи. Они отдавали предпочтение программе Timation, созданной в 1964 году и запущенной в 1967 году. В этой системе использовались два экспериментальных спутника с кварцевыми кристаллическими часами (хотя в конечном итоге они переключились на рубидиевые и цезийные атомные часы). И, как бы доказывая существование государственной неэффективности, ВВС также работали над аналогичной технологической программой под названием System 621B. Она непрерывно обеспечивала навигацию с использованием 16 спутников на орбитах, которые образовывали четыре кластера овальной формы, вытянутые на 30 градусов севернее и южнее экватора. (Мы упоминали, что армия предлагала свою собственную систему, SECOR, или Sequential Correlation of Range?).

Наконец, кто-то в Министерстве обороны в 1968 году создал NAVSEG, или Группу управления навигационными спутниками, которой было поручено изучить различные системы, уже существующие или разрабатываемые. Неудивительно, что в появившемся решении были использованы лучшие аспекты систем ВМФ и ВВС. Министерство обороны одобрило разработку глобальной системы позиционирования NAVSTAR в декабре 1973 года. Испытания начались в следующем году, а полномасштабная разработка была одобрена в августе 1979 года.

К сожалению NAVSTAR столкнулась с некоторыми трудностями на рассвете нового десятилетия. Бюджет на ее разработку был сокращен на 30% министром обороны в начале 1980-х годов. Важность нового танка или самолета легко понять, в отличие от новой высокотехнологичной системы поддержки. В конечном итоге количество спутников было сокращено до 18 с 24, плюс три запасных. Далее, как раз в тот момент, когда все шло своим чередом, авария космического челнока «Челленджер» в 1986 году задержала программу еще на 2 года. Первые спутники, наконец, были запущены с мыса Канаверал в феврале 1989 года и начали использоваться в апреле.

Война в Персидском заливе 1990-91 гг. доказала важность GPS в бою. Наряду с инфракрасным ночным видением, эта технология, вероятно, помогла одержать победу. GPS повысила точность бомбардировок, а также позволила улучшать позиционирование войск и проводить некоторые операции спецназа. Успех GPS в войне в Персидском заливе раскрыл свои коммерческие возможности, и к 1993 году гражданские системы GPS были встроены в автомобили через стороннее программное обеспечение, распространяемое бесплатно.

GPS-системы за пределами Соединенных штатов

Безусловно, развитие государством атомных часов и систем глобального позиционирования привело к созданию коммерческого рынка, на котором вскоре появились меньшие по размеру, более быстрые и дешевые устройства, что, в свою очередь, помогло военным. Сегодня космическое командование ВВС США управляет системой GPS, которая была разработана, в частности, при участии стран НАТО и Австралии. Эта система также используется информационно-развлекательными системами в автомобилях для обеспечения навигации и спутникового радиовещания. Остальной мир наверстывает упущенное, начиная с ГЛОНАСС, или Глобальной навигационной спутниковой системы — космической навигационной системы, созданной Россией. Планирование ее разработки было начато в 1968 году, а к 1976 году страна завершила создание этой системы. К 1991 году в эксплуатации находилось 12 спутников, а через два года она была введена в эксплуатацию, хотя в целом система функционировала лишь в декабре 1995 года. К 2002 году система едва работала. С помощью Индийской организации космических исследований, Космического агентства Индии, Российское космическое агентство развернуло ГЛОНАСС в полную силу к маю 2007 года.

Не осталась в стороне и глобальная навигационная спутниковая система Европейского космического агентства Galileo, работающая совместно с GPS и ГЛОНАСС. Первые спутники были запущены в 2011 году. Система начала функционировать в 2013 году, и в настоящее время на орбите находится 26 спутников. После завершения проекта Galileo будет иметь в эксплуатации 30 спутников.

Наконец, есть спутниковая навигационная система Beidou, изначально разработанная для китайских военных. Beidou позволяет военным Китая больше не полагаться на GPS, принадлежащую США для проведения военных и гражданских операций.

Подробнее тут:

• Эра, когда сложно потеряться

Оцифрованные карты перемещаются на приборную панель

Идея о том, что система GPS, встроенная в ваш автомобиль, может подсказать вам, куда ехать, заменяя вам партнера или штурмана, была надуманной до тех пор, пока первая картографическая навигационная система не была представлена в Японии в качестве дилерской опции для второго поколения Honda Accord в 1981 году. Система Honda Electro Gyrocator использовала датчики и гироскопы, которые сравнивали поверхность дороги с поверхностью карты, указывая таким образом направление движения. Также известная как система точного расчета траектории, она не использовала спутники, впрочем, техника не всегда работала корректно по причине наличия неточностей в картах, а это проблема для системы, которая добавляет дополнительные 25 процентов к стоимости автомобиля. Это была первая современная навигационная система, но лидерство в выходе на рынок не гарантирует долгую жизнь. Система Honda Electro Gyrocator исчезла в 1982 году.

Etak Navigator, автомобильная навигационная система вторичного рынка, которая работала на счислении пути, сравнивая местоположение автомобиля с точками на карте с помощью цифровой карты, компаса и датчиков колес.

Производители навигаторов Etak знают об этом не понаслышке. Разработанная в Калифорнии Стэном Хани и основателем Atari Ноланом Бушнеллом, эта навигационная система, устанавливаемая после продажи автомобиля, также работала по принципу точного расчета траектории, сравнивая местоположение автомобиля с точками на карте. Устройство было разработано дизайнером Pong, Аланом Алькорном (Alan Alcorn), и для составления карты оно использовало микропроцессор Intel 8088 и кассетный магнитофон. Благодаря использованию цифровой карты, компаса и датчиков колес, водители могли видеть результаты работы системы на экране.

Первая автомобильная навигационная система на основе карт была представлена в Японии в качестве дилерской опции для Honda Accord 1981 года. Названный Honda Electro Gyrocator, он использовал счисление пути для отслеживания местоположения автомобиля, используя используемые датчики и гироскопы для сравнения дорожного покрытия с картой.

Разработка аппаратного обеспечения была легкой, более сложной задачей оказалось получение картографической информации. Позднее компания Etak воспользовалась опытом Бюро переписи населения США, которые были профессионалами в оцифровке карт с помощью топографической математики. В качестве носителя информации инженеры выбрали карты на кассетах с поликарбонатными оболочками. На каждой из них хранилось по 3,5 МБ данных. Они лучше прочих противостояли ударам и вибрациям, а также выдерживали экстремальные температуры припаркованного автомобиля. Тем не менее, первая область, которую они нанесли на карту, Сан-Франциско, потребовала от водителей использовать шесть кассет. Экран системы представлял собой векторный катодный излучатель с высоким разрешением, который отображал яркую и четкую линию. Маленький экран считался слишком дорогим.

В июле 1985 г. появился Etak Navigator 700 с 7-дюймовым экраном за 1595$ (3819$ с поправкой на инфляцию), и Etak Navigator 450 с 4,5-дюймовым экраном за 1395$ (или 3340$ сегодня). Кассеты стоили по 35 долларов каждая (или 84 доллара сегодня). Эти модели были достаточно успешны, чтобы будущие конкуренты покупали лицензии на патенты, данные карт и/или аппаратное обеспечение Etak. Etak была куплена новостной корпорацией Руперта Мердока в 1989 году за почти 25 миллионов долларов.

Первая навигационная система Toyota CD-ROM была установлена на японском рынке в 1987 году Toyota Crown Royal Saloon G

Два года спустя в Toyota’s Crown Royal Saloon G, продававшейся на японском рынке, была предложена навигационная система с первым цветным CRT-дисплеем и картографической системой на компакт-дисках. Но так как все эти системы использовали точный расчет траектории (то есть, сравнивали местоположение автомобиля с точками на карте), эти решения на самом деле были не намного более совершенны, чем Jones Live-Map 1909 года. В 1980-е годы было использовано больше технологий.

Первый в мире современный автомобиль с интегрированной системой GPS-навигации, как на Eunos Cosmo, высококлассной марки Mazda на японском рынке.

Eunos Cosmo 1990-1995 годов выпуска-первый в мире современный автомобиль с интегрированной системой GPS-навигации. Eunos был высококлассной маркой Mazda на японском рынке и должен был стать частью запланированного бренда Mazda Amati, хотя Mazda в конечном счете решила не запускать его в Америке. Тем не менее, автомобиль выпускался до 1995 года.

Mazda представила первую в мире современную автомобильную навигационную систему GPS, которую компания предлагала только в Японии на Eunos Cosmo 1990 года. Eunos была высококлассной машиной, и этот автомобиль должен был стать частью запланированного бренда Mazda — Amati. В итоге Mazda решила не запускать его в Америке, но, тем не менее, автомобиль выпускался до 1995 года.

Спустя год после выхода Cosmo, в 1991 году, Toyota представила на японском рынке свою «Electro-Multivision Global Positioning System» в Toyota Soarer, выпущенной для внутреннего рынка (эта машина известна в штатах как Lexus SC). Она отображала местоположение автомобиля на 6-дюймовом цветном ЖК-дисплее с помощью спутников GPS.

Далее будут встречаться названия систем GPS из прошлого, которые могут быть вам знакомы. В 1992 году подразделения General Motors Oldsmobile и Delco представили встроенную навигационную систему GPS с 6-дюймовым полноцветным экраном Sony CRT под названием TravTek в автомобилях Avis Rent-A-Car во Флориде. В конце концов, эта система стала заводской опцией за $1995 на седане Oldsmobile 88 1995 года, где она была известна как GuideStar, навигационная система с точным расчетом траектории, использующей карты. И не путайте эту систему с более поздним сервисом OnStar, не использующим карты. Первоначально предлагалось использование этой системы только с картами Калифорнии или Лас-Вегаса, экран вставлялся в середину приборной панели и мог поворачиваться влево или вправо в зависимости от того, кто осуществлял навигацию. Сигнал GPS и карты, записанные на компакт-дисках, определяли направление движения.

В 1998 году компания Garmin представила свою первую портативную навигационную систему StreetPilot GPS. Компания была основана в 1991 году и стала первой компанией, которая ввела GPS-навигацию в общее пользование в том же году.

В 1997 году японская компания Alpine представила систему послепродажного обслуживания, которая также использовала карты на CD-ROM и принимала сигнал GPS, что позволяло любому покупателю автомобиля добавлять их в свой автомобиль. В следующем году Garmin представила свою первую портативную навигационную систему StreetPilot GPS, и в конце концов Garmin заняла видное место на рынке товаров послепродажного обслуживания, совместимых с разными марками автомобилей.

На кончиках пальцев

Автомобильная навигация быстро завоевала популярность в автомобильной промышленности в 1990-е годы. Но с большинством из этих решений было неудобно взаимодействовать, так как им не хватало еще одной современной технологии — сенсорного экрана.

Сам по себе скромный сенсорный экран был создан в 1965 году и появился на свет благодаря работе передового исследовательского подразделения британского Министерства авиации.

Э.А. Джонсон изобрел первый в мире емкостный сенсорный экран, который состоял из нескольких слоев стекла и пластика и был покрыт проводящим материалом (вроде оксида индия и олова или меди). Когда вы прикасаетесь к экрану, замыкается электрическая цепь, заставляющая операционную систему реагировать. Емкостный сенсорный экран либо реагирует, либо нет, и для замыкания цепи необходимо использовать палец. Сенсорный экран Джонсона использовался британскими авиадиспетчерами до 1990-х годов. Он также использовался в миллионах (если не миллиардах) смартфонов, ноутбуков и планшетных компьютеров благодаря более длительному сроку службы, превосходной эффективности multi-touch и четкости по сравнению с реактивными сенсорными экранами, которые впервые появились в 1970 году.

Реактивный сенсорный экран был изобретен доктором Г. Сэмюэлом Хёрстом во время изучения атомной физики в Университете штата Кентукки. Перейдя в Окриджскую национальную лабораторию, он продолжил работу над своим открытием. Хёрст понял, что когда палец касается экрана, состоящего из многочисленных резистивных слоев с небольшими зазорами между ними, компьютер может прочитать местоположение полученного напряжения и вызвать соответствующую команду. Помимо того, что эти команды не только можно вызывать пальцем, перчаткой или стилусом, стоимость создания такого экрана ниже чем в случае емкостного. В настоящее время этот экран широко используется в банкоматах и кассовых терминалах в связи с его доступной ценой.

Несмотря на то, что эта технология существует уже более десяти лет, первые сенсорные экраны для потребителей появились только в 1982 году в Hewlett-Packard HP-150 — персонального компьютера, работающего под управлением операционной системы MS-DOS на 9-дюймовом сенсорном ЭЛТ-экране от Sony. Технология сенсорного экрана была новой, а потому недешевой: 2795 долларов или 7634 доллара с поправкой на инфляцию.

Buick разработал Buick Riviera 1986 года в качестве технологического экспоната для General Motors. Ключевой частью этого плана была замена многих элементов управления приборной панели графическим Центром управления.

Вскоре после этого мир получил машину, которая стала пионером в использовании сенсорных экранов: Buick Riviera 1986 года. В свое время этот автомобиль был проигнорирован – в основном из-за его маленьких размеров и непримечательного дизайна. Тем не менее, первое использование сенсорного экрана в качестве стандартного оборудования в 1986 году было большим успехом, учитывая, что на разработку автомобиля ушло более пяти лет.

В 1986 году Buick Riviera был первым сенсорным экраном, когда-либо поставленным в автомобиль в качестве стандартного оборудования. Он появился на рынке через два года после появления первого потребительского продукта с сенсорным Hewlett-Packard PC.

Согласно документам компании, в ноябре 1980 года (за два года до того, как Hewlett-Packard HP-150 поступил в продажу), менеджеры Buick во Флинте, штат Мичиган, решили, что к 1985 году они выпустят автомобиль с самой передовой электроникой в отрасли. По мере того, как комитет оценивал, какие электронные функции будут предлагаться, сенсорный ЭЛТ-экран разрабатывался Delco Systems – дочерней компанией General Motors в Санта-Барбаре, Калифорния. В течение нескольких месяцев, в начале 1981 года, система от GM была продемонстрирована и одобрена Группой Продуктовой Политики GM. AC Spark Plug и Delco Electronics разработали аппаратное обеспечение, в то время как Delco Systems занималась разработкой программного обеспечения. К 1983 году были разработаны спецификации для экрана, и на следующий год эти экраны были установлены в тестовом парке из 100 автомобилей для измерения реакции заказчика.

Графический центр управления (GCC) представлял собой ЭЛТ-экран, покрытый невидимой панелью Mylar, в которой использовались прозрачные проводники, которые были закодированы столбцами и строками для выполнения определенных функций на определенных страницах. Функции каждого переключателя менялись с каждой страницей. Поскольку на разогрев ЭЛТ уходит несколько секунд, цепь GCC начинала прогреваться при касании ручки двери водителя. Когда дверь водителя открывалась и закрывалась, на дисплее появлялся логотип Riviera.

Как только автомобиль был запущен, дисплей переходил на домашнюю страницу, которая удовлетворяла 90% потребностей водителя. Если экрана не касались в течение 30 секунд, он выключался. GCC контролировал автоматический климат-контроль, AM/FM радио, графический эквалайзер и расчеты поездки, а также отображал показания датчиков и диагностическую информацию об автомобиле. Его черный экран и зеленый дисплей теперь кажется антиквариатом, но в то время эта технология была передовой.

Руководители Buick были в восторге, в том числе Кэри Уилсон, который впервые обратил внимание на эту идею в 1980 году. «Приходит новое поколение автомобильных электрических систем, и Buick заложил для них фундамент», — сказал он в 1986 году.

Впрочем, некоторые были настроены менее оптимистично – например, легендарный автомобильный журналист Брок Йейтс.

«Существование графического центра управления — это плохая шутка», — написал он в сентябре 1986 года. «Система, установленная в Riviera не делает ничего такого, чего не мог бы сделать обычный набор ручек, кнопок и аналоговых инструментов за долю секунды». Его коллега Рич Сеппос согласился. «Высокотехнологичный ЭЛТ в Riviera — это не скачок вперед, это лишь небольшой шаг».

Несмотря на отрицательные отзывы, Бьюик установил бы GCC и в Reatte 1988-1989 годов до появления модифицированной версии: визуального информационного центр Oldsmobile, был доступен в 1989-1992 годах в Oldsmobile Toronado Trofeo (Riviera имела такую же базовую платформу). 4-дюймовый полноцветный сенсорный экран был сделан компанией Sony, а система могла быть оснащена дополнительным мобильным телефоном Motorola, которым можно было управлять через экран.

Навигационная система Alpine на базе CD-ROM aftermarket может быть добавлена к любому автомобилю.

Acura представит свою первую навигационную систему на основе жесткого диска в 1996 году Acura 3.5 RL.

В то время как критики высмеивали эти и другие ранние попытки создания систем с сенсорным экраном, новые автомобили (такие как Tesla Model 3) поставляются с сенсорным экраном, содержащим все элементы управления. Таким образом, несмотря на то, что все эти технологии кажутся новыми, наука, подпитывающая их, работала над ними на протяжении десятилетий. Создание сегодняшней консоли Tesla стоит на плечах технологических гигантов.

Атомные часы и их исключительная хронологическая точность проложили путь к созданию системы глобального позиционирования с помощью космических спутников. И хотя первоначально эти спутниковые системы были предназначены для использования в военных целях, в конечном итоге они открылись для коммерческого рынка. И когда эта система объединилась с такими легкими в использовании технологиями, как сенсорные экраны, рынок того, что мы теперь знаем как GPS, расцвел.

Наша нынешняя способность определять маршрут с помощью сенсорного экрана, вездесуща — но никогда не забывайте, что для этого потребовались десятилетия развития и слияние технологий.

Подписывайтесь на каналы:
@AutomotiveRu — новости автоиндустрии, железо и психология вождения
@TeslaHackers — сообщество российских Tesla-хакеров, прокат и обучение дрифту на Tesla

Читать еще полезные статьи:

• Бесплатные онлайн-курсы по Automotive, Aerospace, робототехнике и инженерии (50+)
• [Прогноз] Транспорт будущего (краткосрочный, среднесрочный, долгосрочный горизонты)
• Лучшие материалы по взлому автомобилей с DEF CON 2018-2019 года
• [Прогноз] Motornet — сеть обмена данными для роботизированного транспорта
• Компании потратили 16 миллиардов долларов на беспилотные автомобили, чтобы захватить рынок в 8 триллионов
• Камеры или лазеры
• Автономные автомобили на open source
• McKinsey: переосмысляем софт и архитектуру электроники в automotive
• Очередная война операционок уже идет под капотом автомобилей
• Программный код в автомобиле
• В современном автомобиле строк кода больше чем…