GPS, водное ориентирование и прикладная картография.
В.Власенко г. Москва
wwm@cityline.ru

...Отправляясь ночью в лес, прихвати свой GPS... ;-)


Вместо введения.

Данный материал предназначен в первую очередь для тех, кто еще стоит перед вопросом о приобретении GPS. За последние несколько лет приборы определения координат по сигналам спутников, называемые на общеупотребительском слэнге просто GPS превратились из экзотической новинки во вполне заурядный бытовой прибор наряду с такими, как мобильный телефон или переносной CD-плеер. Соответственно существенно расширился как круг моделей этих приборов, присутствующих на потребительском рынке, так и круг потенциальных пользователей этими приборами. Многообразие предлагаемых моделей с различным сочетанием технических характеристик усложняет выбор для приобретения одной, максимально отвечающей конкретным условиям применения.

Постараемся немного прояснить этот вопрос применительно к использованию GPS приемника для эксплуатации в условиях продолжительных водных походов на байдарках или других сплавных средствах, где к экипировке предъявляются повышенные требования как в отношении массо-габаритных, так и в отношении климатических параметров.


Четыре или три? Теория или практика?

Прежде чем рассматривать прикладные аспекты эксплуатации приемников GPS в тех или иных условиях зададимся простым, но довольно существенным с точки зрения функционирования такого премника вопросом: а сколько спутников одновременно необходимо и достаточно "видеть" такому приемнику для однозначного определения координат в трехмерном пространстве? Не вдаваясь в технические тонкости и ухищрения при обработке спутниковых сигналов, которые широко освещаются во многочисленных изданиях, алгоритм работы GPS приемника упрощенно можно представить в виде модели, где приемник по информации со спутников определяет расстояние до них и "зная" истинные коодинаты этих спутников осуществляет рассчет своих собственных. Предположим, что спутник - это точка в пространстве и мы определили расстояние до нее. Где мы можем находиться? Ответ простой и вытекает из школьного курса геометрии: - в любой точке на поверхности сферы с радиусом, равным замеренному расстоянию и центром, совпадающим с положением спутника. Если взять отдельно другой спутник, то и относительно него наше местоположение будет находиться на пространственной сфере, но уже с другим радиусом. Если мы будем рассматривать наше местоположение одновременно учитывая расстояние до этих двух точек, то неопределенность нашего местоположения снизится до многообразия пространственных точек, которые будут лежать на пересечении этих двух сфер, т.е. на окружности в пространстве. Добавим еще один (третий) спутник и еще одно измерение расстояния. Неопределенность нашего местоположения снизится до точек пересечения полученной ранее окружности с новой сферой и таких точек в пространстве будет две. Т.е. по "чистой" теории мы можем находиться либо здесь, либо там... и только еще одно измерение относительно четвертого спутника должно разрешить эту неоднозначность. Это в теории..., а как на практике?

На практике решение этой неоднозначности возможно как на техническом уровне, так и на уровне "разумной вероятности", когда мы заранее знаем, какую из двух этих точек надо считать истинной. Наши "две точки" в пространстве располагаются симметрично относительно плоскости, проходящей через три спутника и если одна из них находится на поверхности земли (или около нее), то вторая точка, где GPS приемник мог бы показать такие-же координаты, расположена в космосе, на расстоянии выше, чем орбиты этих спутников. Надеяться на то, что нам прийдеться путешествовать в этой области пространства практически нет и для исключения из рассмотрения этой точки с практической стороны вовсе не важно, как это будет сделано, исключением излучения сигналов спутников в этом направлении или нашим "здравым смыслом", привязывающим нас к "грешной плоти".


Вода, вода... Кругом вода...

Чем отличается водный поход на байдарке от поездки на машине? В первую очередь непредсказуемостью "небесной канцелярии", когда на вас может вылиться в течении пяти минут "месячная норма осадков" и негде будет укрыться. Даже в случае "идеальной погоды" вода постоянно присутствует как внутри вашего плавсредства, так и на расстоянии 20 сантиметров от борта вашего "дредноута". Контакт с водой в таких условиях более чем вероятен, а иногда и просто неизбежен. Отсюда вытекает самое первое требование к GPS приемнику (помимо его основного назначения - определения координат) - это его влагозащита. Если вы хотите решить эту проблему "в зародыше", то при приобретении GPS приемника остановите свой выбор только на тех моделях, которые это обеспечивают. Всякие "автомобильные" варианты следует заранее исключить т.к. в автомобиле "не капает", а заниматься ремонтом жидкокристаллической панели индикатора приемника после его купания малоприятное занятие.

Второе отличие связано с тем, что в машину "можно и слона загрузить", а прежде чем загрузить байдарку, ее еще раньше надо до воды доставить "на собственном горбу" и здесь чем меньше будет вес и габариты каждой "мелочи", тем больше "этих разных приятных мелочей" можно будет с собой унести... Ведь надо еще и рыболовные снасти прихватить в поход и фото-кино технику не забыть и продуктами из расчета 1 кг в день на человека обеспечить свое существование, да и раскладной стульчик хочется для комфортного сидения в лесу впихнуть в упаковку байдарки... Отсюда второе требование при выборе GPS приемника - минимизируйте его вес и габариты... Тогда он вседа сможет найти свое постоянное место в вашем кармане и не будет обузой, которая упакована на дно гермомешка.

Третьим отличием является "энергетический кризис". Если при поездке на машине запитать GPS приемник можно без проблем от прикуривателя и держать его постоянно включенным наслаждаясь индикацией скорости вашей машины, то в лесу на соснах розеток для подключения зарядников еще не установили. Отсюда три следствия: выбирайте модель с малым энергопотреблением, включайте приемник только тогда, когда вам это действительно необходимо и имейте в запасе "аварийнй" комплект питания.


Почти "спортивное ориентирование".

Находясь на водоеме или в лесу одним из вопросов ориентирования модно сформулировать фразой - "где я?". Ответ может быть неоднозначным т.к. в зависимости от ситуации мы можем подразумевать как конкретную точку нашего местоположения, так и наше положение отнисительно других объектов. Народные средства ориентирования на местности, к которым можно отнести ориентирование по солнцу, ориентирование по муравейникам, по мху на деревьях и т.д. дают не всегда правдоподобные результаты и только ориентирование с использованием компаса и карты приближают нас к ответу на поставленный вопрос. Способен ли GPS приемник полностью заменить нам как карту, так и "китайское изобретение" в виде компаса? Однозначно нет, о чем производители приемников всегда честно указывают в инструкциях по их эксплуатации. Но вот существенно облегчить ориентирование по карте такой приемник в состоянии, при наличии качественной карты естественно. Основными "полезными функциями" GPS приемника является функция замера и запоминания текущих координат и функция показа направления и расстояния до указанной точки.

Рассмотрим несколько практических ситуаций.

Ситуация первая. На зиней рыбалке вы на ночь ставите жерлицы. Определив по GPS приемнику и запомнив их местоположение вы с высокой вероятностью сможете их утром найти под слоем нанесенного за ночь снега на пустынном леляном пространстве. Погрешность "выхода" к запомненным точкам будет определяться погрешностью определения координат GPS приемником и положением спутников в момент измерения, но о погрешностях измерения будет особый разговор.

Ситуация вторая. В байдарочном походе в местности, где озера чередуются с протоками между ними ваша группа под вечер выскакивает на очередное озерцо с диаметром этак километра полтора или более. Вам известно, что выходная протока должна находиться где-то у противоположного берега, но ориентирование по кромке леса в сумерках практически безнадежно. В данном случае GPS приемник облегчит ваше существование и сократит излишнюю "пилежку" по озеру если в него была заранее введена точка начала интересующей вас протоки. Включив функцию "GO TO" и задав в качестве конечной интересующую нас точку GPS приемник покажет нам направление на нее и оставшееся до этой точки расстояние. Наиболее комфортно такая навигация осуществляется с GPS приемниками, имеющими экранное представление в виде экрана "шоссе", тогда вам остается при движении только придерживаться индицируемого корридора.

Ситуация третья. Вы сплавляетесь по реке с порогами и среди них есть опасные для вашего плавсредства. Занеся заранее в память GPS приемника координаты этого порога и включив на приемнике предупреждение о приближении к опасной точке на заданное расстояние приемник предупредит вас об опасности до того, как водная стихия завлечет вас в трехметровый водопадик.

Ситуация четвертая. Длинный и монотонный речной участок без ярковыраженных ориентиров. Под вечер ваша группа стала на стоянку и вам предстоит спланировать график движения на следующий день. Особенно часто такая ситуация возникает в конце маршрута, когда надо "подгадать" оказаться в конечной точке в определенное время. Помочь вам в определении ваших координат и их привязке к карте маршрута сможет GPS приемник и ваша походная карта. Определив с помощью приемника расстояние до двух - трех точек с известными координатами и зная расположение этих точек на вашей карте проводим на карте окружности соответствующих диаметров и в точке пересечения их оказывается ваш лагерь. Теперь вам известно ваше положение на карте и можно принимать "командирское" решение (естественно, что в данной ситуации вам понадобится ваш основной инструмент ориентирования в походе - жидкостной компас для спортивного ориентирования с прозрачным основанием и линейкой по краю). Может показаться, что это проще сделать с помощью GPS приемника в котором предусмотрена работа с картами, но не все так просто в "нашем отечестве"...

Рассмотренные ситуации показывают еще ряд желательных параметров для GPS приемника при применении его в условиях водных походов. К ним смело можно отнести подсветку экрана, наличие звуковой сигнализации и что более важно - возможность предварительного ввода интересующих нас точек, что без специально предусмотренной для этого связи с ПК представляет существенные проблемы. GPS приемник просто обязан иметь возможность для подключения и обмена данными с ПК.

Возможные ситуации и способы применения других заложенных в современные GPS приемники функциональных возможностей и работу с ними рассматривать в данном материале вряд-ли целесообразно т.к. все это достаточно подробно "разжевано" в инструкциях по эксплуатации конкретных моделей GPS приемников.


Картография, как способ представления окружающей действительности.

Планируя водное путешествие всегда необходимо знать, а "что там за поворотом"? В этом водникам традиционно помагает описание маршрута, лоция с указанием препятствий и способов их преодоления и карта маршрута. Описание маршрута как правило берется из техотчетов в турклубах, различных печатных изданий или от очевидцев, которые там уже успели побывать. При разработке нового маршрута производится сбор и аналитическая обработка информации из разных источников о предполагаемом районе похода и т.д. Все это хорошо известно и речь сейчас не об этом. Наиболее полную картину о предстоящем маршруте дает подробная лоция, которую составляют первопроходцы, а если таковых еще не было? В любом случае без более или менее подробной карты предстоящего водного путешествия весьма опрометчиво спускаться на воду. С незапамятных времен такие карты изготавливались путем снятия на кальку одной какой-либо реки со штабных карт и такие кальки уже долгое время кочуют из рук в руки. Естественно, что при использовании такой карты ни о какой более-менее разумной привязке к географическим координатам и речи быть не может. Практически такие карты и применение GPS приемника - вещи малосовместимые. Для нормальной работы с GPS приемником желательно иметь карту, на которой можно бы было привязываться с точностью до секунд. Почему бы тогда не воспользоваться GPS приемником со встроенными картографическими функциями? Воспользоваться конечно можно, но не в "родном отечестве", а где-нибудь в Европе или на крайний случай в Канаде или Штатах. Отсутствие нормальной открытой картографической информации у нас еще долго будет оставаться нашей "национальной" проблемой, а "забугорье" нам тут мало чем поможет. Ну какой интерес ихним фирмам делать подробную карту к примеру Подкаменной Тунгуски и тратить человеко-часы под преобразование этой карты с специальный формат, с которым работают GPS приемники с картографическими функциями. Кроме того у портативных моделей GPS приемников, которые наиболее полно подходят для водных походов размер экрана со спичечный коробок, не говоря уже о том, что изображение всей карты на экране не цветное, а одноцветное. Рассматривание на таком экране карты представляется малоприятным занятием. Уж куда удобнее рассматривать бумажную карту размером хотя-бы с тетрадный лист и не ломать голову о сером овале - что же он означает? И так по цвету понятно, что если он зеленого цвета - то это роща, если голубого - то озерцо...

Поиск подходящих карт местности с определением их привязки к географическим координатам довольно трудоемкое занятие и причин тут несколько. Первой причиной является то, что привязка к координатам у карт, распространяемых открыто начинается с масштаба двухкилометровки. Если для поездки из Москвы в Волгоград это вполне приемлемо, чтобы не пропустить на трассе поворот под Тамбовом, то при сплаве по речушке, у которой на пять километров приходится 10 порогов и через каждые 100 метров она меняет свое направление такой масштаб явно не приемлем. Появившиеся в последнее время атласы отдельных областей с картами-километровками, хоть и содержат картографическую информацию об объектах, которые должны присутствовать на километровке, но начисто лишены привязки к истинному географическому положению. Все это и заставляет отечественного пользователя искать те или иные пути для решения своих проблем и прибегать к прикладной домашней картографии.


Домашняя персоналка для домашней картографии.

Персоналки вошли в нашу жизнь немного раньше, чем мы столкнулись с первыми образцами GPS приемников и поэтому прктически любой знает, сто персоналка может почти все, если есть для этого соответствующее программное обеспечение. Есть такое ПО и для работы с GPS приемниками. Наиболее часто для этого используется OziExplorer. OziExplorer представляет из себя довольно мощную программу, которая позволяет загружать и выгружать путевые точки, трэки и маршруты в большинство моделей современных GPS приемников. Программа так-же позволяет произвести загрузку и привязку электронной картинки карты и осуществить отражение на ней текущего местоположения по сигналам с GPS приемника в реальном масштабе времени. В программе возможно создание новых путевых точек и коррекция всех параметров объектов, с которыми работает GPS приемник. Так можно отметить на карте интересующую нас точку и потом загрузить ее координаты в приемник. Большинство из возможностей этой программы малоинтересны применительно к "домашней выпечке" походной карты, но есть несколько функций, которые нам могут очень помочь. В первую очередь это относится к возможности прорисовки на загруженной и привязанной карте координатных сеток как в единицах долготы и широты, так и в км и м. Второй хорошей стороной данной программы является возможность распечатки указанного участка карты в заданном масштабе. При этом программа сама сделает необходимую разбивку на листы под формат используемого принтера и оставит на них поля, которые можно будет использовать для последующей склейки этих листов. Используя программу с такими функциональными возможностями и подходящий картографический источник можно сделать удобную для использования в водном походе путевую карту с нанесенными на нее точными координатами отдельных интересующих нас объектов, а так-же загрузить эти координаты в GPS приемник. В результате мы получим как карту на бумажном носителе, по которой можно удобно ориентироваться, так и измерительный инструмент в виде "запрограммированного" GPS приемника, которфй позволит проводить измерения координат и соотносить их с координатами точек, указанных нами на этой карте. Алгоритм наших действий по созданию такой карты в домашних условиях будет иметь следующий вид.

В результате вышеперечисленных операций мы получим "простыню" карты в требуемом масштабе ( 1см - 500 м ) с сеткой координат ( 1х1 км ) с пропечатанными положениями и названиями путевых точек и списком этих точек с комментариями и координатам. Плюс к этому мы будем иметь GPS приемник, с "заложенными" в него путевыми точками, которые уже отмеченны на нашей "простыне". Имея в походе такой комплект из подготовленных заранее карты и GPS приемника ориентация на маршруте превратиться для нас не только в простую, но и приятную процедуру.


Прикладная картография и точность.

Очевидно, что распечатанная из OziExplorer карта местности имеет некоторую погрешность в координатах объектов относительно их реального местоположения и эта поргешность складывается из двух составляющих - погрешности исходного картографического материала и погрешности привязки карты к реальным координатам. Если в отношении первой составляющей в домашних условиях мы мало что можем сделать, то минимизировать вторую составляющую погрешности в наших силах и это т.к. имея в своем распоряжении GPS приемник мы в большинстве случаев можем снять точные координаты некоторых объектов, присутствующих на карте (например точки пересечение дорог или просек) и использовать их для осуществления точной привязки карты к местности. Естественно это возможно только в тех случаях, когда есть возможность проведения замера координат в этих точках. В некоторых случаях при хорошем исходном картографическом материале можно обойтись и без этого.

В качестве исходного материала, для создания электронного образа карты пригодной к загрузке в OziExplorer, можно использовать бумажную карту, отсканировав ее и проведя некоторые "косметические" операции с ее электорнным образом в программе графического редактора (например в PhotoShop). "Косметика" сводится в основном к склеиванию отдельно отсканированных участков, для чего сканирование производится с некоторым запасом по площади, потом отдельные фрагменты размещаются в разных слоях файла формата PhotoShop. Установив прозрачность вышележащего слоя с фрагментом в 50% сдвигаем его до совпадения с предыдущим, меняем его прозрачность (непрозрачность) обратно на 100% и объединяем эти слои. Такую операцию проводим до полного совпадения всех фрагментов. На тех местах, где мы планируем осуществить последующую привязку карты, т.е. в точках, координаты которых нам заранее известны, проставляем крестообразные маркеры. Следующим штрихом в нашей "косметике" будет уменьшение яркости и изменения контрастности изображения с целью получения хорошочитаемого образа карты и снижения расхода чернил, в случае дальнейшей распечатки карты на цветном принтере. Почти все. Осталось только свести слои и запомнить нашу картинку в формате JPG или BMP. Формат JPG более предпочтителен с точки зрения размера файла, но его не поддерживает свободно распространяемая версия программы OziExplorer.

Возникает вопрос, а есть ли другие варианты для подготовки электронного образа карты, кроме как сканирование бумажного носителя и измерения на местности координат точек привязки? В принципе есть и один из них попытаться найти интересующую нас карту в сети Internet. Попытка - не пытка, но она тоже может окончиться безрезультатно. Для некоторых регионов России возможен и другой вариант. Ряд компаний, занимающихся разработкой продуктов с использованием ГИС технологий (ГИС - геоинформационные системы), наряду с коммерческими продуктами для "ширпотреба" выпускают и усеченные версии своего ПО с картографической информацией в формате представления ГИС. Одной из таких компаний является Питерская фирма "ИНГИТ". В частности ею был выпущен CD "Россия. 1000 карт" (GW-08/97) на котором представлены планы Москвы, Санкт-Петербурга, Пскова, Новгорода, Волгограда, Мурманска, Краснодара и большое количество двухкилометровок отдельных районов, в основном Европейской части. Кроме того на компакте находится ПО GisMaster (Win95) при помощи которого возможна работа с этими картами.

CD с картографической информацией от "ИНГИТ"

Если интересующий вас фрагмент карты вы смогли отыскать среди двухкилометровок на этом диске, то алгоритм изготовления электорнной карты для ее последующей загрузки в OziExplorer сильно упрощается. Вам не понадобиться сканер и не потребуется производить измерение координат точек привязки непосредственно на местности. Действия по изготовлению электронного образа будут иметь следующую последовательность.

Какова погрешность между координатами, снятыми в произвольном месте на карте, полученной по вышеописанной методике из исходника от "ИНГИТ" в OziExplorer и реальными координатами? Критерий истины - практика, а она показала, что для Карельского региона (в частности на маршруте Чирко-Кемь) ошибка составляла менее 50 метров, что более чем приемлемо для практического применения, учитывая что среднестатистическая ошибка определения координат GPS приемником имеет величину около 10-15 метров и только при хорошем взаиморасположении спутников GPS приемник мог определить координаты с точностью 3-4 метра.


Вокруг GPS. Мелочи и примечания.

При выборе конкретной модели GPS приемника и ее последующей эксплуатации в условиях водных походов следует учитывать, что:

Использовать или не использовать GPS приемник для похода и какую конкретную модель выбрать для этого - выбор полностью за вами, а вышеприведенные рекомендации должны только его облегчить. Не забывайте, что GPS приемник не может являться "панацеей от всех бед" и полностью заменить вам здравый смысл и другие способы и средства ориентирования на местности, но при разумном подходе и его комплексном использовании с этими средствами он может оказать существенную помощь и упростить решение задач навигации.


Copyright © 2003 by Victor Vlasenko
Изменен 31.10.2003