System nawigacji satelitarnej oparty na systemie Symbian

Transkrypt

1 System nawigacji satelitarnej oparty na systemie Symbian praca dyplomowa magisterska Promotor: Dr inż. Michał Morawski Dyplomant: Zbigniew Tokarczyk nr albumu Łódź, luty 2009 r. 1

2 Spis treści 1.Wstęp Cel i zakres pracy Technologie Nawigacja satelitarna System GPS-NAVSTAR Budowa Zasada działania Wyznaczenie położenia Pomiar wysokości Dokładność systemu Inne systemy nawigacji satelitarnej Kartografia Mapa Rodzaje map cyfrowych Wybór formatu mapy Struktura map w formacie Garmin.IMG System Symbian Technologia systemu Symbian Struktura systemu Tworzenie aplikacji Projekt aplikacji nawigacji satelitarnej dla systemu Symbian Platforma sprzętowa Narzędzia Projekt aplikacji GyPSy Budowa aplikacji Obsługa i optymalizacja rysowania map Garmin Przygotowanie programu do dystrybucji Napotkane problemy Opis programu GyPSy Instalacja programu Instrukcja użytkownika Tryby pracy Wnioski Porównanie funkcjonalności GyPSy Możliwości rozbudowy Spisy Źródła Tabele Ilustracje Załączniki Aplikacja Dokumenty

3 1. Wstęp Od czasu, gdy telefony komórkowe na stałe wpisały się w codzienny krajobraz, nastąpił niesłychany wzrost zarówno ich mocy obliczeniowej, jak i możliwości oferowanych przez te urządzenia. Parametry techniczne sprzętu wchodzącego obecnie na rynek jeszcze kilka lat temu odnosiły się do konfiguracji komputerów stacjonarnych. W chwili obecnej w połączeniu z odpowiednim oprogramowaniem, urządzenia te nie służą już tylko do prowadzenia rozmów, czy wysyłania wiadomości tekstowych. To miniaturowe centra multimedialne, dające użytkownikom możliwość fotografowania, nagrywania filmów, czy też słuchania muzyki. Miejsce urządzeń typu PDA 1, zajęły zaawansowane telefony, pozwalające na prowadzenie biura z właściwie dowolnego miejsca na Ziemi. Najbardziej rozbudowane modele telefonów wyposażone są obecnie w systemy operacyjne umożliwiające uruchamianie aplikacji zainstalowanych przez użytkownika. Szybki rozwój technologii informatycznych obniżył ceny sprzętu zwiększając tym samym dostępność programowalnych urządzeń na rynku. W odpowiedzi na zapotrzebowanie, programiści zaczęli tworzyć aplikacje udostępniające funkcje dedykowanego sprzętu posiadaczom telefonów. Inwencja twórców oprogramowania daje również możliwość wprowadzenia zmian do mechanizmów znanych dotychczas z rozwiązań sprzętowych, pozwalając w ten sposób na poprawienie ergonomii ich użytkowania. Doskonałym przykładem tego trendu jest nawigacja satelitarna. Do niedawna by korzystać z nawigacji GPS konieczne było posiadanie sprzętu, łączącego funkcje odbiornika i mapy. Pojawienie się tanich odbiorników GPS, które mogą być zamknięte w telefonie komórkowym, lub w miniaturowej obudowie doprowadziło do rewolucji cenowej na rynku. Nowy segment rynku szybko został zauważony i doceniony. Dzięki temu powstały systemy nawigacji GPS przeznaczone tylko dla urządzeń przenośnych. Obecnie nawigacja satelitarna znajduje się w ofercie wielu producentów. Jednak większość z nich skupia się na dostarczeniu nawigacji samochodowej, pomocnej w trakcie podróży po drogach znanych z atlasów samochodowych. Istnieje zdecydowanie mniej systemów nawigacyjnych przeznaczonych dla turystów poruszających się w terenie: czy to szlakami turystycznymi, czy też po bezdrożach, gdzie szczególnie utrudnione może być określenie własnego położenia tylko na podstawie mapy. Większość rozwiązań przeznaczonych dla turystów to drogie urządzenia produkowane przez firmy o wyrobionej marce jak Garmin 2 czy DeLorme 3. Powszechnie znana jest pierwsza z firm, której nazwa funkcjonuje jako synonim nawigacji satelitarnej. Ze względu na małą różnorodność i dostępność rozwiązań oferujących mapy topograficzne do nawigacji turystycznej, opracowywana aplikacja będzie skupiona właśnie na dostarczeniu funkcjonalności potrzebnej w terenie. 1 ang. Personal Digital Assistant, komputer kieszonkowy

4 2. Cel i zakres pracy Celem pracy jest stworzenie aplikacji realizującej zadania nawigacji satelitarnej GPS, działającej na urządzeniu mobilnym pod kontrolą systemu operacyjnego Symbian. System ten oferowany jest z kilkoma wersjami interfejsu użytkownika, zależnymi od producenta i modelu telefonu. Interfejsy te oferują bardzo podobne możliwości, jednak wymagają od aplikacji użycia innych bibliotek programistycznych. Ze względu na dostęp do urządzenia posiadającego interfejs UIQ w wersji 3.0 opracowywana aplikacja będzie przeznaczona właśnie na tę platformę. Zakres pracy obejmuje: poznanie budowy i działania systemu nawigacji satelitarnej GPS; zastosowanie kartografii w nawigacji; poznanie systemu operacyjnego Symbian; stworzenie aplikacji służącej do nawigacji satelitarnej. Praca składa się z dwóch części. Część pierwsza, teoretyczna, ma za zadanie zdobycie podstawowej wiedzy potrzebnej do zrozumienia działania nawigacji satelitarnej oraz realizacji celu pracy. Zakłada ona poznanie i opisanie: budowy i zasady działania systemu nawigacji satelitarnej GPS; sposobów przedstawiania map cyfrowych i wyborem jednego z nich dla potrzeb aplikacji; poznanie systemu Symbian, struktury aplikacji i konwencji programowania dla tego systemu. Część druga, to część praktyczna, w której zdobyta wcześniej wiedza i umiejętności pozwolą na stworzenie programu do nawigacji satelitarnej dla systemu Symbian z interfejsem UIQ 3.0. Aplikacja ma oferować następującą funkcjonalność: pozyskiwanie danych nawigacyjnych z odbiornika systemu GPS; wyświetlanie na ekranie odpowiedniego fragmentu mapy, wraz z punktami charakterystycznymi znajdującymi się w okolicy; wyświetlanie bieżącej pozycji na ekranie urządzenia, jak również możliwość przeglądu mapy; zapis, odczyt i wyświetlanie przebytej drogi (tzw. ślad). 4

5 3. Technologie 3.1 Nawigacja satelitarna Nawigacja satelitarna[1] to rodzaj radionawigacji, której działanie opiera się na nadajnikach radiowych znajdujących się na sztucznych satelitach Ziemi. Wykorzystuje ona fale radiowe w celu określenia położenia odbiorników i ich parametrów ruchu. Dzisiejsze systemy nawigacji satelitarnej miały swój początek w połowie ubiegłego wieku. W roku 1958 w Laboratorium Fizyki Stosowanej Uniwersytetu Johna Hopkinsa,na potrzeby Departamentu Obrony USA powstał system TRANSIT 4. Ten, złożony z 6 satelitów, system miał praktyczne zastosowanie w nawigacji morskiej, służąc jako pomoc w pomiarach geodezyjnych będąc jednocześnie źródłem częstotliwości wzorcowej System GPS NAVSTAR GPS-NAVSTAR 5 [1], dla uproszczenia powszechnie nazywany systemem GPS, to obecnie jedyny działający system nawigacji satelitarnej obejmujący swoim zasięgiem całą kulę ziemską. Historia systemu sięga lat 70-tych XX w., gdy doświadczenia zebrane przy budowie i użytkowaniu systemu TRANSIT pozwoliły na stworzenie jego doskonalszej wersji. Głównymi cechami nowego systemu miały być: możliwość wyznaczenia położenia w czasie rzeczywistym, niezależność od warunków, w których system jest wykorzystywany i odporność na zakłócenia, zarówno przypadkowe jak i celowe, dokładność naprowadzania pocisków na poziomie 5 metrów przystępna cena (koszt jednego odbiornika miał nie przekraczać USD w 1977 r. równowartość w cenach ok USD w 2007 r.) dostępność na całej kuli ziemskiej, synchronizacja czasu na poziomie 1 μs, nielimitowana liczba użytkowników, niewykrywalność odbiornika (brak komunikacji odbiornika z satelitą; wyznaczenie pozycji ma być możliwe wyłącznie w wyniku nasłuchu) Pierwsze testy systemu rozpoczęły się w 1972 r., a w lutym 1978 r. został wystrzelony pierwszy satelita bloku I, SVN 1. 4 Pierwszy system nawigacji satelitarnej, znany również jaki NAVSAT (ang. Navy Navigation Satellite System). 5 ang. Global Positioning System NAVigation Signal Timing And Ranging 5

6 3.1.2 Budowa System GPS[1][9] składa się z trzech segmentów: kosmicznego, kontroli i użytkowników. Segment kosmiczny składa się z konstelacji 32 satelitów. Dla zachowania pełnej funkcjonalności systemu muszą działać co najmniej 24 satelity. W pełni sprawny system pozwala na obserwację minimum 6 satelitów równocześnie, bez względu na miejsce na Ziemi. Satelity systemu rozmieszczone na 6 płaszczyznach orbitalnych, okrążając Ziemię po orbitach kołowych na wysokości km. Czas obiegu Ziemi to 11 godzin i 58 minut. W skład segmentu kontroli wchodzi 5 stacji, monitorujących na bieżąco położenie i stan satelitów, z głównym centrum kontroli zlokalizowanym w Colorado Springs, USA. Dodatkowe informacje na temat działalności systemu spływają również z 6 bezzałogowych stacji obserwacyjnych należących do NGA 6. Na podstawie gromadzonych danych, regularnie przeprowadzane są synchronizacje zegarów atomowych satelitów, oraz obliczane wymagane korekty orbit. Warto zaznaczyć, że projektując zegary systemu GPS wzięto pod uwagę efekty relatywistyczne. Chociaż dokładność zegarów na pokładach satelitów jest rzędu aż czterech nanosekund na dobę, to efekty relatywistyczne sprawiają, że zegary te spieszą 38,58 mikrosekund na dobę. Gdyby nie korekta wprowadzona do częstotliwości pracy zegarów satelitów, system GPS byłby zupełnie bezużyteczny. Ostatni segment to segment użytkownika. Ten ważny element segmentu naziemnego, składa się z odbiorników systemu i społeczności związanej z systemem. Ilustracja 1: Segmenty systemu GPS 6 ang. National Geospatial Agency 6

7 3.1.3 Zasada działania System GPS, jak i wszystkie inne systemy nawigacji satelitarnej, opiera się na pomiarze odległości odbiornika od nadajnika radiowego znajdującego się na sztucznym satelicie Ziemi. Odległość obliczana jest na podstawie znajomości czasu propagacji sygnału radiowego nadawanego przez satelitę.[1][2] W systemie GPS sygnał radiowy nadawany jest z satelitów na dwóch częstotliwościach nośnych: f 1 =1575,42MHz i f 2 =1227,6MHz. Wykorzystanie dwóch sygnałów zwiększa dokładność pomiaru czasu propagacji fali, poprzez eliminację zakłóceń powstałych w jonosferze. Na częstotliwości nałożone zostają specjalne kody informacyjne C/A 7, oraz P 8 wykorzystywane do pomiaru odległości satelity od odbiornika. Kod C/A jest ogólnie dostępny, natomiast z P, zwiększającego dokładność pomiaru, mogą korzystać tylko uprawnieni użytkownicy. Pakiet wysyłanych przez satelitę danych zawiera m.in. elementy orbit wszystkich satelitów GPS, poprawki zegarów pokładowych oraz dane o jakości sygnału. Ponieważ wszystkie satelity systemu nadają na tych samych częstotliwościach nośnych ich identyfikacja możliwa jest na podstawie kodów CDMA 9, przypisanych poszczególnym nadajnikom, którymi modulowany jest nadawany sygnał [3]. Oprócz dwóch podstawowych częstotliwości nośnych, satelity GPS korzystają z trzech dodatkowych: f 3 =1381,05MHz służy systemowi NUDET-DS 10 do informowania o wykrytych eksplozjach atomowych; f 4 =1379,913MHz trwają próby wykorzystania go do dodatkowej korekcji zakłóceń jonosferycznych; f 5 =1176,45MHz ma stać się podstawą cywilnego systemu SoL 11, wykorzystywanego przez służby ratownicze. Dla poprawnej pracy systemu GPS kluczowy jest precyzyjny pomiar czasu. Każdy satelita wyposażony jest w zegar atomowy. Satelity razem ze stacjami bazowymi tworzą dodatkowo sieć korelacji czasu, dzięki której możliwe jest utrzymanie synchronizacji całego systemu. W ten sposób odbiorniki systemu GPS służą nie tylko wyznaczaniu położenia, ale także są dokładnym źródłem czasu. 7 ang. Coarse Aquisition Clear Access 8 ang. Precise - Protected 9 ang. Code Division Multiple Access 10 ang. Nuclear Detonation Detection System 11 ang. Safety-of-Life 7

8 3.1.4 Wyznaczenie położenia Z fizycznego punktu widzenia[2], wyznaczenie czasoprzestrzennego położenia obiektu na powierzchni Ziemi (czterowektora) (T Z, R Z ) wymaga rozwiązania układu 4 równań względem 4 niewiadomych: R Z r i 2 = c 2 2 ( T t ), Z i gdzie i=1,2,3,4,a t i, r i są czasem i położeniem i-tego satelity. Satelity przekazują do naziemnego odbiornika swoją pozycję i czas nadania wiadomości. Położenie (T Z, R Z ) wyznacza odbiornik GPS rozwiązując układ 4 powyższych równań względem 4 niewiadomych, tj. (T Z, R Z ), gdzie R Z jest wektorem. Ilustracja 2: Wyznaczanie położenia w systemie GPS W praktyce, odbiornik GPS do wyznaczenia odległości od satelity może stosować jedną z dwóch metod pomiaru: metodę kodową (pomiar pseudoodległości), lub metodę fazową (pomiar fazowy)[9]. W pomiarze kodowym, wykorzystywane są emitowane przez satelitę kody C/A lub P. Odbierany kod porównywany jest z kodem generowanym przez odbiornik, a otrzymane przesunięcie służy do obliczenia odległości satelita-odbiornik. Metoda fazowa, polega na pomiarze fazy odbieranego sygnału. Wyznaczenie odległości można zapisać wzorem: d = Nλ + φλ Odległość d wyrażona jest jako pewna całkowita liczba N znanej długości fali λ mieszczącą się w mierzonej odległości, plus część pełnej długości fali obliczona jako faza φ pomnożona przez długość fali λ. Odbiornik GPS łatwo mierzy fazę φ, natomiast główną trudnością tej metody jest wyznaczenie całkowitej liczby N pełnych długości fal mieszczących się w mierzonej odległości d. 8

9 3.1.5 Pomiar wysokości. W wyniku pomiarów GPS otrzymujemy przestrzenne współrzędne prostokątne X,Y,Z pozycji anten odbiorników. Można je przeliczyć na współrzędne geodezyjne B,L,H odniesione np. do układu WGS-84, gdzie B i L to długość i szerokość, a H wysokość elipsoidalna[9]. Ilustracja 3: Przestrzenne współrzędne prostokątne i geodezyjne Najczęściej potrzebujemy jednak nie wysokości elipsoidalnej, a wysokości nad poziomem morza (wysokość ortometryczną). Dla uproszczenia można przyjąć że poziom morza odpowiada w przybliżeniu geoidzie, która jest powierzchnią stałego potencjału siły ciężkości. Ilustracja 4: Wyznaczanie wysokości Wysokość punktu h liczoną od poziomu morza otrzymujemy, odejmując od wysokości elipsoidalnej punktu H (przeliczonej z pomiarów GPS) wysokość geoidy N (czyli odstęp geoidy od elipsoidy): h = H n Aby wyznaczyć wysokość punktu nad poziomem morza konieczna jest znajomość odstępu geoidy od elipsoidy. Można ją uzyskać z mapy wysokości geoidy centymetrowej (o ile istnieje ona dla terenu, na którym prowadzimy pomiar). Można je też obliczyć samodzielnie, wykorzystując metody geodezji klasycznej (na podstawie znanych anomalii grawimetrycznych ze wzoru Stokesa lub za pomocą niwelacji astronomicznej lub astronomiczno grawimetrycznej). Dokładność tych wyznaczeń N jest jednak znacznie gorsza (kilkadziesiąt centymetrów) niż dokładność wysokości elipsoidalnych H z pomiarów GPS. 9

10 3.1.6 Dokładność systemu Projektując system GPS, ze względów strategicznych, przewidziano dwa poziomy dostępu: standardowy dla użytkowników cywilnych i precyzyjny dla sił zbrojnych Stanów Zjednoczonych. Już dostęp standardowy daje techniczne możliwości pomiaru położenia z dokładnością do kilku metrów. Ze względu na możliwość zastosowania takiej informacji w działaniach militarnych, stosowano początkowo system Selective Availability (S/A), który wprowadzał pseudolosowy błąd do nadawanych sygnałów. Powodowało to spadek precyzji odbiorników cywilnych do ok. 100 metrów. System ten został wyłączony dopiero w 2000 r., co pozwoliło odbiornikom cywilnym na uzyskanie dokładności pomiaru położenia na poziomie 15 metrów[1][8]. Wyłączenie S/A nie oznacza jednak, że na systemie GPS można całkowicie polegać, gdyż S/A nadal jest częścią systemu i w każdej chwili może zostać ponownie włączony. Ponadto armia amerykańska opracowała procedury pozwalające na całkowite tymczasowe wyłączenie systemu dla dowolnego obszaru na planecie. Ze względów strategicznych odbiorniki cywilne przestają pracować na wysokościach większych niż 18 km i przy prędkości podróżnej większej od 515 m/s. Warto zauważyć, że jest to zabezpieczenie, tylko przed naprowadzaniem głowic powrotnych pocisków balistycznych, ponieważ pociski atmosferyczne nie osiągają takich prędkości[1]. Na dokładność systemu GPS wpływają również różnego rodzaju zakłócenia sygnału radiowego, Rodzaj zakłóceń Wprowadzany błąd [m] Efekty jonosferyczne ±5 Przesunięcie orbity ±2,5 Błędy zegarów satelitów ±2 Odbicia sygnału ±1 Efekty troposferyczne ±0,5 Przybliżenia i obliczenia odbiornika ±1 Tabela 1: Wpływ zakłóceń na dokładność systemu GPS W celu poprawy dokładności pomiarów powstały systemy WAAS 12 i EGNOS 13. WAAS wspomaga się sygnałami wysyłanymi z satelitów geostacjonarnych, EGNOS korzysta natomiast z sieci stacji naziemnych retransmitujących sygnały GPS. Każdy z tych systemów pozwala na wyeliminowanie zakłóceń jonosferycznych, oraz na poprawę błędów przesunięcia orbity i synchronizacji zegarów. Wynikiem wprowadzonych poprawek jest dokładność pomiaru położenia na poziomie od 3 do 5 metrów. 12 ang. Wide Area Augmentation System 13 ang. European Geostationary Navigation Overlay Service 10

11 3.1.7 Inne systemy nawigacji satelitarnej Obecnie wiele krajów, chcąc uniezależnić się od systemu GPS, kontrolowanego przez amię USA, pracuje nad własnymi systemami nawigacji satelitarnej. Do najbardziej zaawansowanych projektów o globalnym zasięgu należą: GLONASS rosyjski system, który po latach zaniedbań jest przywracany do pełnej sprawności przy współpracy z Indiami Galileo system rozwijany przez Unię Europejską; ma osiągnąć sprawność w 2013 r. Beidou chiński system nawigacji regionalnej, jego zasięg ma zostać rozszerzony w ramach projektu COMPASS (Beidou-2) 3.2 Kartografia Jednoznaczne zdefiniowanie pojęcia kartografia wcale nie jest proste, gdyż Zarówno definicja jak i miejsce kartografii w nauce, technice i sztuce ewoluowało poprzez stulecia. Definicja Brytyjskiego Towarzystwa Kartograficznego z 1964 r. podaje, że jest to nie tylko nauka i technologia, ale też sztuka sporządzania map oraz ich badania jako dokumentów naukowych, a także dzieł sztuki [9]. Początki kartografii sięgają II w. n.e., kiedy to Klaudiusz Ptolemeusz stwierdził, że zadaniem nauk geograficznych jest kartograficzne przedstawienie Ziemi. Od początku swojego istnienia aż do połowy XVI w. kartografia była traktowana jako graficzna forma opisu rzeczywistości. Drugi etap rozwoju kartografii przypada na okres od połowy XVI w. aż do połowy wieku XX. W tym czasie była to dyscyplina techniczna, definiowana w kategoriach sporządzania map wyłącznie metodami pomiarowymi. Mapa stanowiła wtedy dokumentację dokonanych pomiarów. Od połowy XX w. kartografia przekształca się w naukę interdyscyplinarną, związaną w głównej mierze z geografią i zawdzięczającą swój rozwój dostępowi do nowych technologii Mapa Mapa byłaby tylko rysunkiem, umownie przedstawiającym fragment otaczającego nas świata, gdyby nie dwa ważne elementy. Pierwszy z nich to układ odniesienia. Jest to układ punktów w przestrzeni, na podstawie których określa się położenie lub zmianę położenia obiektu. Drugi element to układ współrzędnych. Dla map najczęściej używane są współrzędne geograficzne - długość i szerokość geograficzna mierzone w stopniach, minutach i sekundach kątowych. Punktem zaczepienia (odniesienia) tego układu jest przecięcie południka zerowego (Greenwich) z równikiem, znajdujące się na południowy zachód od wybrzeży Afryki, w rejonie zatoki Gwinejskiej. 11

12 System GPS opiera się na innym modelu opisu położenia modelu WGS-84. Układ ten zaczepiony w środku masy Ziemi jest to zbiorem parametrów pozwalających na opisanie wielkości i ukształtowania powierzchni planety poprzez definicję elipsoidy przybliżającej kształt Ziemi. WGS-84, wykorzystując pomiary grawitacyjne EGM-06, pozwala na opis geoidy z dokładnością do 100 km. Ilustracja 5: Długość(λ) i szerokość geograficzna(φ) Aby móc określić swoje położenie na mapie, przy wykorzystaniu współrzędnych odczytanych z odbiornika GPS, konieczne jest używanie mapy posiadającej naniesioną siatkę współrzędnych zgodną z WGS-84, lub dokonanie poprawek obliczeń współrzędnych. Obecnie większość map cyfrowych wykorzystywanych w nawigacji satelitarnej jest zgodna z WGS-84 i do poprawnego ich używania nie jest konieczne wprowadzanie żadnych korekt. Nadal można trafić na mapy których współrzędne odnoszą się do innych układów odniesienia. Na mapach dostępnych na rynku polskim możemy spotkać trzy takie układy: Borowa Góra 1925, nazywany również PND1925, obowiązujący do 1952 r. Pułkowo 1942, nazywany również S-42 GRS82 praktycznie identyczny z WGS-84 Informacje o układzie odniesienia mapy mogą być bardzo przydatne, kiedy korzystamy z odbiornika GPS, podającego nam tylko współrzędne, które wykorzystujemy do określenia swojej pozycji na mapie. Przesunięcie pomiędzy układami S-42, a WGS-84 wynosi na terenie Polski około 130 metrów. Może mieć więc znaczenie dla turystów posługujących się mapami o skali większej niż 1: [4][5]. 12

13 3.2.2 Rodzaje map cyfrowych Każdy producent oprogramowania czy też urządzeń nawigacyjnych promuje własny format przechowywania map w postaci cyfrowej. Pozwala to producentom na czerpanie dodatkowych korzyści, gdyż w zdecydowanej większości formaty te nie są ze sobą kompatybilne i działają tylko na urządzeniach wyprodukowanych przez ich autora. Można jednak wyróżnić dwa ogólne typy map cyfrowych: rastrowe i wektorowe. Mapy rastrowe to zwykłe pliki graficzne, zawierające dokładnie przeniesiony obraz z map klasycznych. Niestety tego typu mapy dają urządzeniom bardzo małe możliwości. Ze względu na stałą rozdzielczość, nie pozwalają się płynnie skalować, co ogranicza możliwą do odczytania ilość szczegółów. Ponadto zajmują olbrzymie ilości pamięci i nie pozwalają na wyszukiwanie obiektów czy tras. Ich zaletą jest za to dokładne przedstawienie rzeczywistości w takim samym stopniu jak mapa, na której podstawie zostały wykonane. Mapy wektorowe to mapy cyfrowe, zawierające opisy (współrzędne, nazwy, symbole) wszystkich obiektów, które mogą być przedstawione na mapie. Pozwalają na definicję poziomów szczegółowości wyświetlania obiektów, co zwiększa czytelność wyświetlanej mapy przy różnych skalach. Dodatkowo wspierają wyszukiwanie obiektów i wybór drogi. Pliki wektorowe, biorąc pod uwagę ilość zawartych szczegółów, są mniejsze niż ich rastrowe odpowiedniki. Mapy te jednak, opierając się na cyfrowych definicjach obiektów zawierają jednak tylko informacje o charakterze poglądowym i nie mogą być traktowane jako obraz realnego świata. Niektóre dostępne programy nawigacyjne, pozwalają na łączenie zalet obydwu formatów map, dając użytkownikowi możliwość wyświetlania obiektów zdefiniowanych w mapie wektorowej na podkładzie rastrowym. Funkcjonalność taką udostępnia nam na przykład aplikacji GoogleMaps po wybraniu opcji wyświetlania mapy hybrydowej [6] Wybór formatu mapy Na potrzeby projektowanej aplikacji konieczny jest wybór formatu wykorzystywanej mapy. Na wstępie odrzucony zostaje format rastrowy zarówno ze względu na wymaganą dużą pojemność dysku i pamięci jak i trudny dostęp do materiałów w odpowiedniej skali dla dokładności urządzeń GPS. Nie bez znaczenia pozostaje również fakt, że udając się na wycieczkę w teren, nie można polegać tylko na zawodnej technice i posiadać zwykłą, papierową mapę, czyli pierwowzór mapy rastrowej. Poszukując odpowiedniej mapy wektorowej, między produktami komercyjnymi, można trafić na otwarte projekty mające na celu stworzenie możliwie dokładnych map całego globu (np. OpenStreetMap, OpenMap). Jednak zarówno te inicjatywy, jak i komercyjne rozwiązania (np. GoogleMaps) skupiają się na tworzeniu map drogowych. Dane turystyczne albo nie są w ogóle dostępne, albo ich jakość i ilość jest niewystarczająca. 13

14 Pozostało zwrócenie się w stronę rozwiązania jak najbardziej sprawdzonego, stworzonego przez firmę, o której już była mowa Garmin. Firma ta stworzyła własny format mapy wektorowej, specjalnie zoptymalizowany dla urządzeń przenośnych o niewielkich możliwościach technicznych. Specjalnie opracowana wewnętrzna struktura przechowywania danych w pliku mapy, daje możliwość łatwego i, co ważne, szybkiego wyszukiwania potrzebnych fragmentów mapy przy zachowaniu jak najmniejszego rozmiaru pliku. Taka budowa map z rozszerzeniem.img, sprawia, że są to mapy binarne, do których odczytu wymagana jest znajomość wewnętrznego formatu pliku. Firma Garmin nie dostarcza żadnego opisu tego formatu, mogącego pomóc w opracowaniu oprogramowania współpracującego z tymi mapami. Jednakże popularność tego systemu sprawiła, że szybko znaleźli się entuzjaści, którzy postanowili poprawiać już istniejące mapy, lub stworzyć własne, które wcześniej nie były dostępne. Udało się rozszyfrować format pliku i stworzyć aplikacje, z pomocą których można zarówno odczytywać już istniejące (GPSMapEdit, MapRoute, UMP Edit)[7] jak i kompilować nowe mapy (cgpsmapper)[7]. Dzięki tym aplikacjom, bez problemu można znaleźć mapy topograficzne, które nie są objęte obostrzeniami co do wykorzystywania ich na urządzeniach nie pochodzących od firmy Garmin. Dostępna jest niepełna, ale wystarczająca, dokumentacja formatu.img, oraz biblioteka libgarmin umożliwiająca odczytywanie map w formacie Garmina Struktura map w formacie Garmin.IMG Struktura plików.img[10] jest zoptymalizowana pod kątem szybkości renderowania na urządzeniu nawigacyjnym, oraz wielkości pliku. Jest to ważne, gdyż zarówno urządzenia nawigacyjne, jak i inne urządzenia przenośne posiadają niewielką moc obliczeniową i dostępną pamięć. Dlatego ważne są odpowiednie algorytmy i struktury danych pozwalające na zmniejszenie nakładu pracy potrzebnej podczas przetwarzania danych. Pliki.IMG wykorzystują każdy dostępny bajt, na przechowywanie danych. Jest to szczególnie widoczne w części pliku zawierającej definicję tekstu powiązanego z elementami mapy. Pliki map Garmina przechowują struktury danych w formacie little-endian 14 [11]. Pierwszy bajt plik mapy zawiera klucz do prostego szyfrowania całego pliku. Jest to klucz prostego zabezpieczenia, które wymaga wykonania na całym pliku operacji XOR z wykorzystaniem wartości przechowywanej w tym bajcie. Organizacja danych w pliku.img jest podobna do struktury tablicy FAT. Plik.IMG składa się z dwóch głównych części: nagłówka i listy plików. 14 Forma zapisu danych, w której mniej znaczący bajt umieszczany jest jako pierwszy. Jest ona odwrotna do używanego na co dzień sposobu zapisu liczb. 14

15 Pojawienie się wartości 0x55 0xAA pod adresem 0x0F1E w strukturze tablicy partycji, dokładnie odpowiada polu oznaczającym koniec tablicy partycji FAT systemu DOS, mającej długość właśnie 512B. Pierwsze 466B prawdziwego systemu plików zawiera kod bootloader'a. W przypadku mapy nie jest on konieczny, a przestrzeń ta jest zajęta danymi mapy: nazwą, datą utworzenia i informacjami dotyczącymi specyficznej struktury pliku. Nagłówek (466B) NAGŁÓWEK Tablica partycji (66B) FAT Bloki FAT (512B każdy) Pliki Pliki wewnętrzne (subfiles) Tabela 2: Nagłówek mapy w formacie.img Kolejny bajt po tablicy partycji zawiera wskaźnik do pierwszego pliku zawierającego dane mapy. Adres tego bajtu jest wyznaczana na podstawie długości FAT. Każdy plik zawierający dane mapy ma podobną konstrukcję podstawową: nagłówek podstawowy, nagłówek oraz dane. Nagłówek podstawowy zawiera długość nagłówka, typ pliku, oraz dokładną datę utworzenia. Nagłówek ten zawiera te same dane bez względu na typ pliku, natomiast zawartość nagłówka zależy już od typu pliku. Nagłówek podstawowy (21B) Nagłówek Dane Tabela 3: Struktura plików w mapie formatu.img Na mapę składa się szereg plików wewnętrznych zawierających dane. Ze względu na zawartość możemy wyróżnić ich następujące typy: TRE NET RGN NOD LBL MDR Plik TRE zawiera ogólne, przeglądowe informacje na temat mapy. Identyfikuje on poziomy powiększenia/dokładności, elementy mapy (punkty, linie, wielokąty), punkty odniesienia elementów mapy. Plik ten określa elementy, które mają zostać wyświetlone przez aplikację na określonym obszarze i przy wybranym powiększeniu. Plik TRE tworzy drzewo, zawierające stopnień powiększenia, a każde powiększenie definiuje podpodziały (subdivisions) zawierające elementy mapy. Z kolei każdy obszar posiada współrzędną Ilustracja 6: Hierarchia podpodziałów swojego centrum i wszystkie należące do niego 15

16 elementy mają swoje współrzędne, zapisane w odniesieniu do tego punktu. Współrzędne te są zapisywane za pomocą 24 bitowych liczb, co pozwala na uzyskanie rozdzielczości maksymalnej na poziomie 0, stopnia. Wielkość ta odpowiada ok. 2,4 metra na równiku. Plik RGN, zawiera definicje obiektów mapy, wskazywanych przez plik TRE. Chociaż ogólna struktura pliku jest przejrzysta, to struktury przechowujące dane, wręcz przeciwnie, są zagmatwane. Wszystko po to, by zaoszczędzić każdy możliwy bit pamięci. Specyficzna organizacja struktur danych, pozwoliła autorom formatu, na uzyskanie dobrego współczynnika objętości kodu w stosunku do ilości zajętej pamięci i wydajności, bez potrzeby stosowania algorytmów kompresji. Ilustracja 7: Struktura wskaźników do kolejnych poziomów mapy. Liczbami w kwadratach oznaczone są kolejne podpodziały. Plik LBL zawiera etykiety tekstowe dla elementów mapy, informacje adresowe dla punktów POI, jak również wykazy kodów pocztowych, miast, regionów i państw. Nagłówek tego pliku należy do najbardziej rozbudowanych, ze względu na różnorodność umieszczonych w nim informacji. Plik NOD, pojawia się tylko w mapach wspierających autoruting i zawiera dane niezbędne do wyznaczania tras przez oprogramowanie. Plik NET występuje w mapach zawierających bazę adresów drogowych. Dostarcza dodatkowe etykiety dla segmentów dróg, a także wskazuje na odpowiednie struktury w pliku NOD, odpowiadające za wybór trasy dla map wspierających autoruting. Opisane powyżej typy plików zostały opisane w dokumencie [10]. Zawierają one najważniejsze elementy mapy, niezbędne do jej odczytania i narysowania. Znane jest jeszcze zastosowanie dwóch kolejnych rodzajów plików. Plik DEM, zawiera dane o ukształtowaniu terenu, wykorzystywane podczas cieniowania, lub wyświetlania mapy w trybie 3D. Drugi to plik TYP. Zawiera on definicje, sposobu wyświetlania poszczególnych elementów mapy przez urządzenie. Jego struktura nie jest publicznie dostępna, natomiast istnieją programy przy pomocy których możliwa jest edycja zawartych w nim danych [12]. W pliku mapy można spotkać jeszcze inne niewyszczególnione tutaj typy plików, zawierające dodatkowe informacje np. o sposobie rysowania poszczególnych obiektów przez urządzenie nawigacyjne. Zastosowanie i format danych tych plików nadal czeka na odkrycie. 16

17 3.3 System Symbian Symbian[13] to nazwa systemu operacyjnego, dołączonych do niego bibliotek, rozwiązań interfejsu użytkownika oraz specyfikacji dla programów narzędziowych, wyprodukowanych przez konsorcjum Symbian. Konsorcjum zrzesza największych producentów telefonów komórkowych i urządzeń przenośnych. Symbian powstał w oparciu o system EPOC, wykorzystywany w pierwszych urządzeniach PDA firmy Psion PLC. Symbian, wywodzący się z systemu EPOC, posiada strukturę charakterystyczną dla biurkowych systemów operacyjnych. Oferuje wsparcie dla wielozadaniowości z wywłaszczaniem, oraz ochronę pamięci. Jednak tworzony z myślą o urządzeniach przenośnych zawiera wiele mechanizmów stworzonych specjalnie na ich potrzeby. System ten przeznaczony do pracy na urządzeniach wyposażonych w procesor ARM, może być emulowany na architekturze x86 np. w celu testowania oprogramowania. Krótka historia ewolucji systemu: 1984, Psion Organizer II (procesor 8-bitowy); 1991, Psion Series 3 (Sibo OS); 1994, początek rozwoju systemu 32 bitowego; 1997, Psion Series 5 (EPOC32); 1998, założenie konsorcjum Symbian Ltd.; 2000, pierwszy telefon: Ericsson R380; 2001, pierwszy telefon 2,5G: Nokia 7650; 2002, do projektu dołączają Siemens i Sony Ericsson; 2003, Symbian OS7: Nokia 6600; 2004, atak pierwszego wirusa na system Symbian: Cabir; 2005, Symbian OS9,1 wprowadza konieczność podpisywania tworzonych dla systemu aplikacji; 2007, Symbian 9,5 poprawia zarządzanie zasobami i żywotność baterii, dodaje wsparcie dla pamięci wirtualnej i pliku wymiany. Na dzień dzisiejszy system Symbian zajmuje dominującą pozycję na rynku inteligentnych urządzeń przenośnych. Badania przeprowadzone w listopadzie 2008 r. pokazują, że z 46,6% udziałów w rynku zdecydowanie prowadzi na tym polu, przed Apple (17,3%), RIM (15,3%), i Microsoft (13,5%).[14] Technologia systemu Symbian Symbian[15] od początku istnienia był tworzony z naciskiem na trzy podstawowe cechy: integralność i bezpieczeństwo danych użytkownika troska o czas użytkownika, który nie może być marnowany wszystkie zasoby są bezcenne 17

18 By spełnić powyższe założenia zastosowano mikrokernel oraz niezależnie działające usługi odpowiadające za różne funkcje systemu. Wszystkie usługi działają na zasadzie żądanie odpowiedź. Interfejs użytkownika został całkowicie oddzielony od systemu bazowego oraz usług aplikacji. Specjalnie zaprojektowane podsystemy zarządzania pamięcią, współdzielenia bibliotek i odzyskiwania zasobów sprawiają, że system jest przystosowany do długich okresów pracy, charakterystycznych dla urządzeń przenośnych. Optymalizacja systemu pod kątem działania na urządzeniach opartych na pamięci ROM i zasilanych bateryjne, pozwala na wydłużenie czasu pracy systemu Struktura systemu Model systemu Symbian[15] przedstawiony został w tabeli poniżej: Usługi aplikacji Usługi systemu operacyjnego Warstwa szkieletu UI Usługi podstawowe Java ME Usługi ogólne Usługi komunikacyjne Usługi multimediów i grafiki Usługi połączeniowe Usługi jądra i interfejsy sprzętowe Tabela 4: Model systemu Symbian Jądro systemu dostarcza tylko absolutne minimum potrzebnych funkcji, pozwalających na zapewnienie dostępności i szybkiego czasu odpowiedzi systemu. Odpowiada za zarządzanie kolejkami, pamięcią i sterownikami urządzeń. Wszystkie pozostałe usługi jak: połączenia sieciowe, telefonia, wsparcie systemu plików, realizowane są przez warstwy wyższe systemu. Wykorzystywany obecnie przez system Symbian mikrokernel nosi nazwę EKA2. Jego główną zaletą, jest tak skuteczna obsługa zdarzeń czasu rzeczywistego, że możliwe stało się zbudowanie telefonu na platformie jednoprocesorowej. Procesor obsługuje zarówno aplikacje użytkownika, jak i połączenia telekomunikacyjne. Wszystkie te elementy pozwoliły na budowę mniejszych i bardziej energooszczędnych telefonów. Najniższą warstwą dostępną dla aplikacji użytkownika jest warstwa usług podstawowych. Zawiera ona serwer plików i biblioteki użytkownika, zarządcę rozszerzeń, silnik bazy danych i usługi kryptograficzne. Warstwa ta daje także dostęp do konsoli i serwera tekstowego - dwóch podstawowych usług, których pełną funkcjonalność można osiągnąć bez sięgania do wyższej warstwy. System Symbian zawiera rozbudowany podsystem sieciowy i komunikacyjny, działający w oparciu o trzy główne serwery: ETEL (EPOC telephony), ESOCK (EPOC sockets) i C32 (odpowiedzialny za komunikację szeregową). Serwery te działają w oparciu o system rozszerzeń, realizujących różne funkcjonalności. Zapewniają one np. obsługę połączeń krótkodystansowych jak Bluetooth, IrDA, czy USB. 18

19 Za interfejs użytkownika odpowiada komponent o nazwie UIKON, z najwyższej warstwy. System Symbian udostępnia tylko podstawowe klasy i struktury do budowy interfejsu użytkownika, niezależne od platformy sprzętowej. Za końcowy interfejs użytkownika odpowiadają rozwinięcia UIKON, tworzone przez producentów platform sprzętowych. Na rynku telefonów komórkowych najważniejszą pozycję zajmują komponenty AVKON oraz QIKON. Pierwszy z nich, będący własnością Nokii tworzy interfejs telefonów S60. Drugi, rozwijany przez Sony Ericsson, odpowiedzialny jest za interfejs UIQ. Powyższe interfejsy udostępniają bardzo podobne możliwości. Mimo, iż tworzone na tej samej bazie komponentu UIKON, nie są one jednak wzajemnie kompatybilne. Prowadzi to do konieczności tworzenia różnych wersji aplikacji przeznaczonych dla urządzeń wyposażonych w różne interfejsy użytkownika. Ciężko jest porównywać te dwa produkty. Każdy z nich ma swoje mocne i słabe strony. Dotyczy to zarówno wygody użytkowania urządzeń wyposażonych w te interfejsy, jak i interfejsów programistycznych przygotowanych przez producentów. Wyraźne różnice udostępnianych funkcjonalności, które występowały we wczesnym okresie tworzenia tych interfejsów, z czasem uległy zatarciu. Obecnie największą różnicą, jest dotykowy ekran, w który wyposażone są telefony z interfejsem UIQ Tworzenie aplikacji Podstawowym językiem programowani dla Symbiana jest c++. Wykorzystuje on niestandardową implementację języka, która ewoluowała wraz z systemem od czasu, kiedy wiele aspektów języka c++ nie zostało jeszcze ustandaryzowanych. Jest to przyczyną niekompatybilności kodu zgodnego z obecnie obowiązującymi normami, z kompilatorem dla Symbiana. Dlatego przenoszenie programów, czy też bibliotek programistycznych z innego środowiska, wymaga wprowadzania wielu zmian i poprawek do istniejącego kodu. System Symbian posiada wbudowaną wirtualną maszynę Java ME, która umożliwia uruchamianie programów pisanych w tym języku. Po instalacji odpowiedniego oprogramowania można uzyskać również wsparcie np. dla języka Python. Pisanie programów w języku c++ na platformę Symbian, wiąże się z koniecznością wykorzystywania bibliotek i plików nagłówkowych udostępnianych przez producentów urządzeń w postaci SDK. Zestawy te zawierają, oprócz bibliotek, przykładowe programy w wersji źródłowej, kompilator gcc języka c++, oraz emulator systemu Symbian, działający na komputerze z zainstalowanym systemem Windows. Ze względu na różnice w budowie interfejsów użytkownika pomiędzy platformami, należy się upewnić czy posiadamy właściwą wersję SDK. 19

20 Przy pisaniu można wykorzystywać całą gamę różnych edytorów zaczynając od najprostszych edytorów tekstowych, a kończąc na rozbudowanych środowiskach IDE, oferujących wsparcie dla systemu Symbian np.: CodeWarrior, CarBide.c++, czy Visual Studio z odpowiednimi rozszerzeniami. Aplikacje tworzone dla systemu Symbian, powinny być pisane zgodnie z obiektowozorientowanym wzorcem MVC 15 [16]. Zapewnia to pełną niezależność silnika aplikacji, zajmującego się manipulacją danymi, od interfejsu użytkownika. Takie podejście ułatwia przenoszenie aplikacji pomiędzy platformami wystarczy tylko podmienić interfejs użytkownika, by aplikacja działała na urządzeniach innego producenta. Model to część programu, która przechowuje i dokonuje operacji na danych, potrzebnych do pracy programu. To tu należy umieścić kod odpowiedzialny za pracę z plikami, czy też obsługę konfiguracji programu. Należy pamiętać, aby do danych nie odwoływać się bezpośrednio, a poprzez funkcje zdefiniowane w modelu. Kontroler zawiera interfejs aplikacji, oraz kod odpowiedzialny za reakcję na zdarzenia. Ponieważ właściwie każda interakcja z aplikacją w Symbianie wiąże się z wygenerowaniem zdarzenia, jest to rozbudowana część kodu. Widok odpowiada za definicję, wyświetlanie i obsługę interfejsu użytkownika. Reakcja na zdarzenie wygenerowane przez widok jest obsługiwana przez funkcje zdefiniowane w kontrolerze. Charakterystyczną cechą programów dla systemu Symbian jest możliwość definiowania niektórych obiektów i kontrolek nie w kodzie programu, a w plikach zasobów. Takie podejście ułatwia m.in. lokalizację aplikacji i przenoszenie kodu między implementacjami systemu. Pliki zasobów zawierają łatwe do opanowania opisy obiektów, które mogą być edytowane przez osoby nie znające się na programowaniu. Oprócz klas modelu MVC, Symbian wymaga napisania klasy Aplikacji. Nie mieści się ona w ramach modelu, ale jest niezbędna dla systemu do zainicjowania programu i stworzenia instancji klasy Model. Stworzenie od podstaw najprostszego programu, wyświetlającego na ekranie telefonu komunikat tekstowy, wymaga stworzenia dużego drzewa katalogowego oraz edycji kilkunastu plików. Istnieje możliwość automatycznego wygenerowania tej bazy dla każdej aplikacji. Jednak warto już na początku pracy z Symbianem poświęcić chwilę czasu na dokładne poznanie tej struktury programu, gdyż wiedza ta znacznie ułatwi pisanie bardziej rozbudowanych programów. 15 ang. Model View Controller 20

21 Katalog data zawiera pliki definicji zasobów (resource) naszej aplikacji: Basic.rss - zawiera definicje widoków, obiektów, etykiet i zdarzeń wykorzystywanych w aplikacji. Basic.rls zawiera zawartość etykiet, do których odnosi się plik.rss Basic_loc.rss zawiera tłumaczenia tytułu i ikon aplikacji Basic_loc.rls dostarcza tłumaczenia dla wszystkich etykiet z pliku.rls Basic_reg.rss zawiera dane identyfikujące program UID, oraz jego nazwę Katalogi inc i src to katalogi zawierające pliki źródłowe i nagłówkowe programu: BasicApplication deklaracja głównej funkcji programu, inicjującej obiekt dokumentu BasicAppUi zawiera kod odpowiadający za definicję kontrolera w modelu MVC BasicDocument - zawiera kod odpowiadający za definicję modelu w MVC BasicView - zawiera kod odpowiadający za definicję widoku w modelu MVC Basic.hrh definiuje identyfikatory dla zdarzeń zdefiniowanych w pliku Basic.rss, BasicGlobals.h zawiera definicje globalnych stałych aplikacji, np. UID programu i widoków W katalogu group znajdują się 2 pliki odpowiedzialne za kontrolowanie parametrów procesu kompilacji. Plik Basic.mmp, zawiera wszystkie pliki źródłowe programu, wykorzystywane biblioteki, ustawienia preprocesora i kompilatora, oraz środowiska, w którym aplikacja ma działać. Plik bld.inf definiuje związek pomiędzy plikami.mmp projektu a platformą, na którą ma odbywać się kompilacja. Katalog images, zawiera bitmapy wykorzystywane przez aplikację np. pliki ikon, które pojawią się w menu telefonu po instalacji. Plik Basic.pkg z katalogu sis, zawiera informacje wymagane do zbudowania pliku instalacyjnego.sis. Pokazuje on gdzie, na dysku urządzenia docelowego, mają znaleźć się skompilowane pliki programu. Jeżeli wszystkie pliki konfiguracyjne zostały przygotowane poprawnie, sam proces kompilacji nie powinien przysporzyć dużych trudności. Odpowiednie skrypty zawarte w SDK, na podstawie plików zawartych w katalogu group, przeprowadzą automatycznie etap budowania plików binarnych. Ilustracja 8: Struktura drzewa aplikacji 21