8.6. Особенности решения навигационных задач с использованием спутниковых приемников

Одним из наиболее значимых и перспективных направлений практического применения спутниковых навигационных систем является автоматическое местоопределение подвижных объектов (automatic vehicle location, AVL), активно развивающееся в настоящее время. Многие фирмы-производители связной и навигационной аппаратуры потребителя (спутниковых приемников) также изготавливают и поставляют оборудование, размещаемое на подвижных объектах и выполняющее функции бортовых контроллеров с определением собственных координат, скорости, курса, с интерфейсом внешних датчиков и исполнительных устройств и предназначенное для объединения в комплекс транспортной навигации. Как правило, подобный комплекс состоит из базовой станции и групп подвижных объектов, взаимодействующих при помощи радиоканала.

8.6.1. Персональные навигационные системы

При навигационных измерениях в автономном режиме приемник используется без базовой станции, при этом точность единичных определений местоположения составляет 5—40 м в зависимости от скорости движения и внешних условий. Простейшие модели персональных спутниковых приемников предоставляют возможность получения текущих координат с указанной выше точностью в системе координат WGS-84 и скорости движения. Более сложные модели позволяют определить, кроме того, направление движения и отобразить на жидкокристаллическом дисплее ряд сервисных функций, например, уклонение от заданного маршрута, расстояние до заданной точки, а также графически отобразить маршрут движения в пределах окна встроенного дисплея.

К первым моделям приемников такого типа относятся GeoExplorer, ScoutMaster фирмы Trimble Navigation, GARMIN-38, 40, 45 фирмы GARMIN INTERNATIONAL INC и др.

Современные модели спутниковых приемников позволяют графически отобразить маршрут движения на электронной карте в пределах окна встроенного дисплея. Характерным примером таких приборов является новая серия GeoExplorer СЕ. Новые приборы представляют собой интегрированные в один корпус компьютер с операционной системой Microsoft Windows СЕ, GPS-антенну и приемник GPS. Наличие Windows СЕ позволяет использовать программное обеспечение ГИС, например, TerraSync (Trimble Navigation), ArcPad (ESRI) ли-

292

бо другое специализированное программное обеспечение. Серия GeoExplorer СЕ позволяет выполнить дифференциальную коррекцию в режиме реального времени или с помощью последующей обработки по программам TerraSync или GPScorrect для повышения точности. В серию входят следующие модели:

GeoXM - 8-канальный GPS-приемник, обеспечивающий точность после дифференциальной коррекции кодовых измерений 2—5 м; GeoXT - 12-канальный GPS-приемник, обеспечивающий субметровую точность после дифференциальной коррекции кодовых измерений и до 30 см после обработки фазовых измерений. Дополнительно GeoXT оснащен технологией снижения влияния многопутности

Everest.

Обе модели имеют достаточный объем внутренней памяти - 128 или 512 Мб и могут быть укомплектованы адаптером сотового телефона для беспроводного доступа к картографическим данным [76].

При навигационных измерениях возможны следующие режимы работы:

- режим определения местоположения подвижной станции в реальном времени (рис. 8.5);

Спутники GPS/ГЛОНАСС

Рис. 8.5. Автономный режим определения местоположения подвижной станции в реальном времени

- режим слежения за местоположением подвижной станции в реальном времени (рис. 8.6);

— комбинированный режим, при котором точное положение подвижной станции определяется и в точке нахождения подвижной станции, и на диспетчерском пункте (в месте нахождения базовой станции).

293

Воздушные, морские и наземные транспортные перевозки играют важную роль в экономическом развитии всех без исключения стран

ирегионов. По транспортным путям в возрастающих объемах круглосуточно в разных направлениях перемещаются огромные массы грузов

ибольшое количество пассажиров. Российские транспортные магистрали, имеющие большую протяженность и не всегда хорошее качество, не являются исключением из этого общего правила.

Вусловиях увеличения грузооборота, криминализации обстановки на дорогах и акваториях, развития системы страхования, усиления конкуренции, необходимости повышения дисциплины и безопасности вопрос эффективного управления и контроля транспортными средствами на сложных разветвленных маршрутах или на дальних расстояниях становится наиболее актуальным. В условиях жесткой конкуренции трудно найти руководителя организации, использующей транспорт, который не стремился бы снизить накладные расходы, повысить эффективность работы диспетчеров, водителей, капитанов, машинистов, улучшить контроль за состоянием подвижного состава.

Кроме того, особого внимания требует транспортировка грузов, обладающих особыми свойствами (токсичные и радиоактивные отходы, взрывчатые и отравляющие вещества, негабаритные грузы, деньги и драгметаллы, оружие и др.).

Кроме задач глобальной навигации международных (или междугородных) перевозок существуют не менее важные задачи локальной навигации для постоянного автоматического определения местонахождения объекта, направления и скорости его движения и отображения информации на электронной карте.

К таким локальным задачам относятся контроль за местоположением специальных транспортных средств службы инкассации, милиции, ГАИ, такси, аварийных служб; сигнализация угона и отслеживание пути угнанного автомобиля; контроль за перевозкой грузов; контроль за местонахождением судов в условиях прибрежного плавания.

Поскольку определение координат с использованием спутниковых приемников решается одинаково и в случае глобальной навигации, и при решении локальных задач, то основными отличиями глобальных и локальных систем будут дальность действия каналов связи и наличие картографической основы на необходимую территорию.

Глобальные системы контроля и управления транспортом

Одним из вариантов глобальной системы контроля и управления транспортом является система Galaxy, предложенная фирмой АО «ПРИН» [2].

295

Концепция слежения за транспортом и контроля перевозок подразумевает оперативное получение диспетчерской службой объективной информации о координатах, скорости и направлении движения транспорта, а также отслеживание данных о состоянии машины и груза (вскрытие контейнера, удар, опрокидывание, вес, температура рефрижератора и т. п.). Необходимо также обеспечить информационное взаимодействие между экипажем и диспетчерским центром, включая обмен свободным текстом, стандартными и экстренными сообщениями («нападение», «остановлен ГАИ», «авария, есть жертвы» и др.). Решая задачу снижения накладных расходов на эксплуатацию и поддержание системы слежения в работоспособном состоянии, ведущие отечественные, зарубежные и совместные компании пошли по «космическому пути», т. е. используют спутниковую навигацию и космическую связь. «Космический путь» обеспечивает непрерывность, глобальность, надежность связи и контроля в любой точке земного шара.

В качестве спутниковой радионавигационной системы предлагается использовать систему GPS, позволяющую подвижным объектам на земле и воде путем приема и обработки сигналов от нескольких навигационных спутников определять свои координаты (широту, долготу и высоту), направление и скорость движения, направление на очередную точку маршрута, пройденное и оставшееся расстояние до промежуточной или конечной точки маршрута, другие характеристики. Достоинством GPS является непрерывность передачи информации, всепогодность и анонимность потребителя.

Для информационного взаимодействия (голосовая связь, передача данных с различной скоростью и т. п.) подвижных средств и диспетчерского центра, осуществляющего непосредственный контроль, слежение и управление транспортом, наиболее широко используется система мобильной спутниковой связи IMMARSAT.

IMMARSAT - международный консорциум, образованный в 1979 г. и объединивший 79 стран, в том числе и Россию. Он владеет собственным квартетом спутников второго поколения, двумя IMMARSAT-3, арендует MARECS Европейского космического агентства, емкости трех INTELSAT и трех MARISAT. Вся эта армада геостационарных спутников обеспечивает высоконадежную мобильную связь на всей территории Земли, за исключением полярных областей. В 1995 г. было решено развивать и поддерживать IMMARSAT С этой целью в существующую систему будут включены 12 спутников на высоте около 10 ООО км, размещенных на двух круговых орбитах с наклоном 45°. 20 наземных станций IMMARSAT обеспечивают связь спут-

296

ников между собой, с национальными и международными телекоммуникационными сетями.

Врамках этой системы в 1992 г. была разработана технологическая концепция Standart-C, которая предназначена для транспортных приложений, для глобальной двусторонней передачи кодированных текстовых сообщений.

Всостав Galaxy входит:

-приемопередающая станция спутниковой связи с GPS-прием-

ником;

-специализированный бортовой компьютер;

-набор датчиков.

Бортовой комплект оборудования обеспечивает выполнение следующих основных функций:

-отправку сообщений в центр, в том числе отчета о местоположении и состоянии датчиков;

-получение сообщений из центра;

-печать сообщений на принтере внутри транспортного средства;

-прием и отправку форм и макросообщений;

-отображение служебной информации;

-экстренный тревожный вызов.

Станция Galaxy комплектуется электронным блоком и малогабаритной приемопередающей антенной, работающей через IMMARSAT

ипринимающей сигналы GPS. Galaxy имеет встроенный шестиканальный GPS-датчик, определяющий координаты и скорость транспортного средства, и с помощью спутника передает в диспетчерский центр или принимает от него служебные данные.

Специализированный бортовой компьютер MDT (Mobile Data Terminal) для совместной работы с Galaxy имеет ударопрочный корпус, герметичную русифицированную клавиатуру, жидкокристаллический дисплей 4 строки по 40 символов. MDT позволяет подключить различные датчики, такие как датчики температуры для холодильника, датчики уровня топлива, датчики сигнализации об ударе

иопрокидывании, датчики взвешивания груза, датчики пожарноохранной сигнализации (блокировка дверей, сейфов, включение спецустройств и выключение двигателя), датчик тахометра для фиксации режима работы двигателя. В MDT вмонтирован специальный слот для карточки памяти, которая может использоваться как накопитель маршрутной информации, а также слот для считывания штрихкодовой информации. Компьютер может быть перепрограммирован для связи, для накопления маршрутной информации, для того и другого одновременно. Существует возможность изменить программу таким образом, чтобы по таймеру или при прохождении

297

заданных точек маршрута на диспетчерский пункт передавалась объективная привязанная по времени и координатам информация о состоянии всех датчиков.

Диспетчерский центр представляет собой комплекс, включающий до 20-ти персональных ЭВМ, работающих в локальной сети. При этом диспетчерам разрешен доступ только к определенной информации. Программное обеспечение центра состоит из картографического модуля, пакета LOGIQ и интерфейса к системе IMMARSAT через телефонный модем, линию Х.25 или станцию Galaxy.

Программное обеспечение системы позволяет передавать текстовые сообщения всем или выбранным транспортным средствам, принимать сообщения от водителей или экипажей и отображать положение транспортного средства на электронной карте по полученным координатам. В его основе лежит база данных, в которой сохраняется вся информация о состоянии транспортных средств и действиях диспетчеров. В любой момент времени можно получить данные о том, где был транспорт и каково его состояние.

При включении в состав аппаратуры центра больших экранов возможен перенос отображения информации на средства коллективного пользования.

Ряд исследовательских проектов Европейского сообщества позволил определить следующие преимущества и выгоды предлагаемой технологии.

1.Сокращение расходов на телефонные разговоры (график IMMARSAT-C значительно экономичнее).

2.Возможность попутной загрузки.

3.Повышение безопасности перевозок (оперативный информационный обмен).

4.Эффективный контроль за экипажем.

5.Снижение расхода топлива.

6.Сокращение холостого пробега.

7.Экономия времени диспетчера и водителя.

8.Улучшение планирования использования средств.

9.Быстрая помощь при аварии или поломке.

10.Повышение уровня сервиса для заказчика.

11.Повышение среднего коэффициента загрузки.

12.Расширение круга решаемых задач.

Локальные системы контроля и управления транспортом

Одним из вариантов локальной системы контроля и управления транспортом является система, разработанная фирмой САТЕЛЛИТ

298

СПБ и ГП «АЭРОГЕОДЕЗИЯ» (Санкт-Петербург) и внедряемая в центральном регионе России Верхневолжским АГП, которые предлагают на российском рынке систему космического позиционирования и сопровождения подвижных объектов на электронных картах SDS-2 [14].

Система SDS-2 предназначена для постоянного автоматического определения местонахождения объекта, направления и скорости его движения. Выдача данных производится на персональный компьютер. Отображение информации производится на электронной карте. Система обеспечивает двусторонний обмен информацией по управлению и контролю за состоянием объекта.

Область применения системы:

1.Автоматический контроль за местоположением специальных транспортных средств:

-службы инкассации;

-милиции и ГАИ;

-служебных автомобилей;

-такси;

-аварийных служб.

2.Сигнализация попытки угона и отслеживание пути угнанного автомобиля.

3.Автматический контроль за перевозкой грузов на любых транспортных средствах.

4. Автоматический контроль за местонахождением любых судов на рейдах и в условиях прибрежного плавания.

Основные технические данные и состав системы приведены ниже.

Число отслеживаемых объектов . . . .до 1000

299

Стационарный диспетчерский центр SDS-21C состоит из ПЭВМ IBM PC с процессором Intel486 или Pentium, УКВ-радиостан- ции, контроллера пакетной связи или телефонного модема. Мобильный диспетчерский центр SDS-21M состоит из Notebook с процессором Intel486 или Pentium, УКВ-радиостанции или сотового телефона, контроллера пакетной связи. Мобильная станция SDS-22 состоит из УКВ-радиостанции или сотового телефона, прибора позиционирования и передачи данных SDS-221, контроллера пакетной связи, концентратора сигналов и управления исполнительными устройствами SDS-222.

Другим вариантом локальной системы контроля и управления транспортом является разработанная ЗАО «Транснетсервис» радиотелефонная система транспортной навигации «Магеллан-М», которая в настоящее время внедряется совместно с АО «Российская национальная служба экономической безопасности» для постоянного автоматического слежения за маршрутом движения подконтрольных подвижных объектов с отображением их местоположения на экране компьютера на фоне карты города, а также для обеспечения служебной оперативной связью экипажей, подразделений охраны, мобильных групп и служб безопасности объектов [14].

Основу «Магеллан-М» в полной конфигурации составляет многозоновая транковая система радиосвязи, реализуемая в стандарте LTR (E.F. Johnson). Система обеспечивает следующие способы передачи информации: голосом, зашифрованным голосом, цифровым кодом.

Принцип работы системы аналогичен SDS-2 и заключается в следующем: приемники GPS, установленные на подвижных объектах, с помощью навигационных спутников определяют координаты объектов, затем радиоканал доводит эту информацию через систему ретрансляторов до адресата (контрольного поста охраны, диспетчерского пункта службы безопасности или технологического диспетчерского пункта). Для обеспечения оперативного взаимодействия мобильных групп охраны используется голосовая связь как в групповом и адресном режимах, так и по открытому каналу.

Система может обслуживать до 65536 объектов с частотой обновления информации о местоположении до 150 подвижных объектов в минуту. Система базируется на оборудовании фирмы Kenwood (Япония). Фирмой Kenwood разработан и производится бортовой контроллер (GPS Modem) со встроенным 6-канальным GPS-приемни- ком, устанавливаемый на борту подвижного объекта и стыкуемый практически с любой мобильной радиостанцией УКВ/ДЦВ диапазона, работающей в режиме convertional. Специальный протокол позво-

300

ляет объединять в систему свыше 65 тыс. подвижных объектов, поддерживать разделение на группы, работать в синхронном сигнальном или запросном режимах, производить индивидуальные, групповые, аварийные вызовы и вызовы в выделенных зонах, устанавливать маски состояния датчиков, прослушивать салон автомобиля, воздействовать на исполнительные устройства и транслировать дифференциальные поправки.

Системы навигации, охраны и мониторинга подвижных объектов

Универсальная система навигации, охраны и мониторинга «Track Master» фирмы GEO SPECTRUM INTERNATIONAL Ltd. [14, 71] предназначена для:

-управления транспортным парком, контроля за состоянием подвижных объектов и их перемещением в реальном масштабе времени;

-охраны мобильных и стационарных объектов;

-мониторинга окружающей среды (на базе воздушных, наземных и морских средств передвижения);

-наземной и воздушной автономной навигации.

Система позволяет решать следующие задачи:

-слежение за выбранной группой транспортных средств (до 1000) на любом расстоянии;

-охрана до 1000 мобильных и стационарных объектов;

-передача по выделенному радиоканалу телеметрии (географических координат, курса, скорости, идентификатора транспортного средства и т.д.), видеоизображений и текстовых сообщений с транспортного средства и стационарного объекта, а также прием, регистрация и отображение полученной информации на диспетчерском центре;

-определение транспортным средством своих географических координат, курса, скорости и отображение этих параметров на экране монитора бортового компьютера с привязкой к электронной карте местности;

-оптимизация маршрута движения транспортных средств;

-оптимальная прокладка маршрутов нефтяных и газовых трубопроводов;

-дистанционное управление транспортными потоками в РМВ;

-мониторинг окружающей среды с использованием стационарных измерительных постов и подвижных экологических лабораторий, передача полученных данных на диспетчерский центр и их обработка

вреальном масштабе времени, оповещение службы экологической помощи.

В состав системы входят следующие подсистемы:

301

-диспетчерский центр;

-информационного обмена;

-аппаратуры потребителя.

Диспетчерский центр решает следующие основные задачи:

-контроль местонахождения и перемещения мобильных объектов, контроль их состояния;

-централизованное управление движением группы объектов;

-сбор, хранение и архивация данных о движении объектов контроля и их состоянии за заданный период;

—осуществление высокоточного дифференциального режима привязки абонентов системы;

—выдача информации об угоне автотранспорта, вызов соответствующих служб и т.д.

Центр включает следующие основные элементы:

—систему контроля перемещений и управления потребителями;

—аппаратуру приема и передачи данных о положении и состоянии контролируемых объектов и сигналов управления (подсистему связи);

—навигационную аппаратуру для вычисления и передачи дифференциальных коррекций;

—программное обеспечение.

Положение сопровождаемых объектов отображается на экранах мониторов в виде условных значков, наложенных на компьютерную карту местности. Состояние каждого из наблюдаемых объектов (координаты, скорость движения, изображения объектов, состояние датчиков) отображается в виде текстовой и графической информации. На экран дисплея диспетчера выводится также вспомогательная информация об аварийных ситуациях на объектах, сигналы об отклонении от маршрута.

Подсистема информационного обмена предназначена для организации полудуплексного (дуплексного) обмена цифровыми данными между мобильным терминальным оборудованием и оконечным оборудованием обработки данных диспетчерского центра.

Всостав подсистемы входит:

-аппаратура канала передачи данных мобильного абонента;

— аппаратура канала передачи данных диспетчерского пункта;

-беспроводные сети связи и выделенные каналы проводной связи. Состав бортовой аппаратуры:

-спутниковый навигационный приемник с антенной (GPS и совмещенный GPS+ГЛОНАСС);

— портативная ПЗС-камера;

— станция УКВ-диапазона или спутниковая связь;

302