GPS технологии на транспорте

Введение

Любое живое существо, способное самостоятельно передвигаться на сколько-нибудь значительные расстояния, нуждается в осознании собственного местонахождения. Природа щедро одарила животных механизмами ориентации в пространстве (кстати, многие из этих механизмов до сих пор представляют загадку для ученых). Однако венец творения обнаружил самую большую «милость от природы» в данном вопросе: естественные спутники - небесные тела. К сожалению, имя той светлой головы, в которую впервые пришла мысль ориентироваться по Солнцу и звездам, утеряно навсегда, и мы никогда не сможем отдать должное этой гениальной находке.

Но и этого людям показалось недостаточно. В своем вечном стремлении если не сразиться, то хотя бы посоревноваться с природой, они создают и запускают искусственные спутники.

Начиная с 60-х годов XX века вооруженные, военно-морские и военно-воздушные силы США независимо друг от друга проводили работы над созданием радионавигационных систем, позволяющих независимо от погодных условий круглосуточно точно определять координаты объектов на Земле.

В 1973 году данные программы объединили в одну, и военно-воздушные силы США назначили руководящими в разработке системы. Это стало началом истории построения системы NAVSTAR (Navigation Satellite Timing and Ranging) — глобальной системы местоопределения (Global Positioning System). С 1983 года, после того, как к ее информации получили доступ гражданские лица, а в 1991 году были сняты ограничения на продажу GPS-оборудования в страны бывшего СССР, распространение получила широко известная аббревиатура GPS.

Изначально планировалось, что система будет служить для высокоточного наведения боевых ракет, а навигационные функции системы были отодвинуты на второй план.

Первый спутник системы был запущен в 1978 году, а основная часть спутников системы были запущены на орбиты в середине 80-х годов. В 1994-м на орбиту был помещен спутник, позволивший завершить построение системы из 24 спутников.

Помимо военных целей, попутно она имела и коммерческий доступ. Правда, точность данных, полученных коммерческими пользователями, была не более 100 метров. Дело в том, что МО США вводило искусственное снижение точности спутникового сигнала. Это называлось Избирательный Доступ (Selective Availability или S/A). Однако 1 мая 2000 года по решению президента США "Избирательный Доступ" был отключен, и мы можем законно пожинать плоды спецов штатовской оборонки.

Заканчивая краткий экскурс в технологии GPS-системы, добавим, что американская спутниковая система не единственная в своем роде. На космической орбите работают российские спутники системы Glonass. В результате сотрудничества с Индией эта система должна стать доступной гражданскому населению и составить конкуренцию GPS в ближайшее время. Вскоре стартует европейский проект Galileo, который может произвести передел рынка спутниковой навигации.

GPS : основные понятия и термины

Спутниковые радионавигационные системы — это всепогодные системы космического базирования. Они позволяют определять текущие местоположения подвижных объектов и их скорость, а также осуществлять точную координацию времени.

В состав системы входят:

* созвездие ИСЗ (космический сегмент);

* сеть наземных станций слежения и управления (сегмент управления);

* GPS-приемники (аппаратура потребителей).

Всё это объединено в общую сеть и управляется Министерством Обороны США.

Космический сегмент (орбитальная группировка) системы GPS на данный момент содержит 24 спутника. У каждого спутника имеется порядковый номер (PRN), всего номеров зарезервировано 32. По состоянию на 27 декабря 2005 года, на орбите находилось 29 рабочих спутников, 5 из которых либо уже отработали свой срок, либо готовились к вводу в систему для замены отработавших. Период обращения одного спутника составляет 11 часов 56,9 минут. Вес каждого спутника около 835 кг, линейный размер более 5 м (с развернутыми солнечными батареями). На борту каждого спутника установлены атомные часы, обеспечивающие точность 10^9 (0,000000001) с, вычислительно-кодирующее устройство и передатчик мощностью 50 Вт.

Спутники размещены на 6 орбитальных плоскостях. Высота орбит примерно равна 20 200 км, угол наклона орбит составляет 55 градусов к экватору Земли (рис. 1). Средний срок службы одного спутника приблизительно 10 лет.

 

 

 

Передающая аппаратура излучает синусоидальные сигналы на двух частотах: L1 = 1575,42 МГц и L2 = 1227,60 МГц. Перед этим сигналы модулируются псевдослучайными цифровыми последовательностями (эта процедура называется фазовой манипуляцией). Причем частота L1 модулируется двумя видами кодов: C/A-кодом (код свободного доступа) и P-кодом (код санкционированного доступа), а частота L2 — только P-кодом. Кроме того, обе несущие частоты дополнительно кодируются навигационным сообщением, в котором содержатся данные об орбитах ИСЗ, информация о параметрах атмосферы, поправки системного времени. Частота L1 предназначена для широкого круга гражданских потребителей, а доступ к сигналам частоты L2 в основном получают военные и федеральные службы США. Точность автономного определения расстояния по P-коду примерно на порядок выше, чем по C/A-коду.

Данные параметры расположения группировки космических аппаратов выбраны не случайно. В любой момент времени в любой точке земного шара можно получить сигналы как минимум от 3-х спутников, что является необходимым условием определения координат. Для более точного определения местоположения необходим сигнал от четвертого спутника.

Наземный сегмент системы представляют контролирующе-измерительные станции для мониторинга спутников. Они расположены на Кваджалейне, на острове Вознесения, на Гавайях, Диего-Гарсия и Колорадо-Спрингс. Также в системе работают три наземные антенны (остров Вознесения, Диего-Гарсия и Кваджалейн). Управление осуществляется на центральной станции, расположенной на авиабазе в Шривере, Колорадо (Schriever Air Force Base, Colorado).

Приемные устройства — GPS-навигаторы — работают в комплексе со спутниками. GPS-навигатор получает со спутников следующую информацию:

«псевдослучайный код» (PRN — pseudo-random code), «эфемериды» (ephimeris) и «альманах» (almanach). По наличию этих данных в GPS-навигаторах определяют вид старта или, по-другому, инициализации (под стартом подразумевается начало процесса получения данных хотя бы с 3 спутников, что достаточно для 2D-навигации). Каждый спутник передает только собственную эфемериду, в то время как альманах передается каждым спутником обо всех спутниках сразу.

Функционирование аппаратуры потребителя можно понять из обобщенной схемы (рис. 2).

 

 

Основное сообщение, передаваемое с каждого навигационного спутника GPS, формируется в виде кадра. Поток навигационных данных передается со скоростью 50 бит/с. Длительность информационного символа «0» или «1» равна 20 мс. Кадр состоит из пяти под-кадров, причем четвертый и пятый подкадры разделены на 25 страниц каждый. Подкадры с первого по третий, а также каждая страница четвертого и пятого подкадров содержат по 300 символов, которые разделены на 10 слов по 30 символов в слове.

Нулевой отсчет времени GPS определен в полночь с 5 на 6 января 1980 года. Неделя является самой большой единицей измерения времени в системе GPS. Неделя определена как 604 800 с.

Эфемериды представляют собой уточненные параметры движения спутников. Основываясь на данных альманаха, GPS-приемник «сканирует» небо и при получении данных от спутника уточняет его эфемериды.

Чтобы понять, как GPS-навигатор определяет координаты, необходимо иметь представление о системе координат, в которой происходит движение спутников и определение координат конечных потребителей.

Наблюдатель на Земле может представить небесную сферу, спроецированную на плоскость так, чтобы центр совпадал с местоположением наблюдателя. Именно в этой проекции пользователю GPS-навигатором показывается примерное расположение спутников (рис. 3).

 

Рис. 3. Расположение спутников на информационном экране навигатора

 

Как видно из рисунка (снимок с экрана GPS-навигатора), спутников в пределах видимости находится девять. В реальности спутников на проекции

сферы видно не более восьми, а сигналы принимаются максимум с четырех-шести. Закрашенный столбик над номером спутника показывает на устойчивый прием сигналов, а высота столбца позволяет оценить качество приема. В момент, когда GPS-навигатор начинает получать информацию со спутника, над его номером появляется не закрашенный прямоугольник. Закрашивается он при уточнении параметров орбиты спутника и начале получения данных, на основе которых идет непосредственный расчет координат пользователя.

Данные спутниковых систем и параметры орбит спутников рассчитываются относительно центра масс Земли. В бытовых GPS-навигаторах используется единая система координат, наиболее популярная в системах гражданской авиации, WGS-84.

При наличии сигнала от одного спутника (№1), известной скорости распространения электромагнитного сигнала в пространстве (300 000 км/с) и времени, за которое сигнал дошел от спутника до GPS-приемника, стало возможным рассчитать геометрическое место точек нахождения приемника сигнала (им будет являться сфера с радиусом, равным расстоянию от спутника до приемника, в центре которой находится спутник).

Если GPS-навигатор начал принимать сигналы от второго спутника, то аналогично первому случаю, строится сфера вокруг спутника №2. Так как GPS-приемник должен находиться на обеих сферах сразу, то теперь строим пересечение двух сфер. Каждая точка получившейся окружности может являться местом нахождения приемника в пространстве.

Наконец, когда приемник поймает сигнал от спутника №3, строится еще одна сфера, при пересечении с окружностью она дает нам две точки. Одна из этих точек, как правило, имеет довольно неправдоподобное расположение, и в процессе вычисления по алгоритму она отбрасывается. Таким образом, мы получаем результат: широту и долготу.

Но если учитывать огромную скорость распространения электромагнитной волны, ошибка в расчетах на тысячные доли секунды может привести к довольно серьезным погрешностям в вычислении расстояния до спутника, а затем и в построении сфер и определении координат. Таким образом, мы подобрались к одному важному нюансу — для корректного определения координат необходим четвертый спутник.

После построения трех сфер приемник начинает манипулировать с временной задержкой. При каждом новом сдвиге времени приемника строятся новые сферы, точка пересечения их «расплывается» в треугольник. То есть сферы перестают пересекаться, а местоположение GPS-приемника может с определенной вероятностью быть в любой из точек треугольной области. Затем временные сдвиги продолжаются до тех пор, пока все три сферы снова не пересекутся в одной точке. Получаем довольно точные координаты. И чем больше спутников «видит» навигатор, тем точнее мы можем скорректировать время с вытекающим из этого увеличением точности позиционирования. При наличии четвертого спутника начинает работать так называемая 3D-навигация, и мы имеем возможность определить высоту над уровнем моря, скорость передвижения по поверхности и скорость вертикального перемещения.

Немного о точности. При создании системы в нее специально внесли так называемый режим S/A (Selective Availability — ограниченный доступ). Этот режим разработан для того, чтобы не дать возможному противнику тактического преимущества в определении местоположения с помощью GPS.

Принцип действия данного режима заключается в искусственном рассогласовании часов спутника и приемника. Поэтому даже при хорошем приеме сигналов нескольких спутников точность не превышала 100 метров.

Однако в 2000 году данный режим был отменен, и официально система GPS стала давать возможность определять координаты более точно. Как правило, указывают точность в 20…30 метров. Если использовать специальные алгоритмы пост-обработки, точность можно повысить вплоть до нескольких миллиметров, но это умеют делать геодезические системы. Для работы с такими системами нужен сертификат и разрешение, а их стоимость превышает стоимость бытовых навигаторов в десятки раз.

На точность определения координат существенное влияние оказывают ошибки, возникающие при выполнении процедуры измерений. Природа этих ошибок различна.

1. Неточное определение времени. Вносит погрешность порядка 1 метра.

2. Погрешности вычисления орбит спутников (уточнения эфемерид). Вносят погрешность порядка 1 метра.

3. Ионосферные задержки сигнала. Вносят погрешность до 10 метров.

4. Многолучевое отражение от высоких зданий, других объектов. Вносит погрешность до 2 метров.

5. Геометрическое расположение спутников.

6. Тропосферные задержки сигнала.

GPS технологии на транспорте

 

Большинство российских компаний, осуществляющих перевозки, рано или поздно сталкивается с проблемой злоупотреблений со стороны работников, непосредственно эксплуатирующих технику. Это и «сливы топлива», и «левые рейсы», и «приписка пробега». Все эти и многие другие проблемы (контроль передвижения транспорта в реальном времени, оптимизация транспортных схем, создание полной базы данных по работе автотранспорта) поможет решить система мониторинга на основе GPS.

Black_box и Black_box-GSM представляют собой функционально законченные устройства системы мониторинга мобильных объектов, способные решать различные задачи по управлению транспортом и другими мобильными объектами с помощью системы глобального позиционирования GPS.

Система Black_box

В основу этой системы положен принцип «черного ящика», который записывает различную информацию с датчиков транспортного средства, а также информацию о местонахождении объекта, получаемую со спутников с помощью GPS-модуля, установленного на борту транспортного средства.

Используемый в системе модуль GPS изготовлен на основе высокопроизводительного чипсета SiRFstarIII и может работать от отраженных сигналов (его 20-канальный приемник имеет очень хорошую чувствительность –158 дБм), что позволяет в некоторых случаях размещать GPS-антенну внутри транспортного средства). Модуль GPS имеет низкое энергопотребление — до 70 мА; время «горячего старта» — 1 с, время «холодного старта» — 45 с.

Black_box оснащен шестью аналоговыми входами с 10-разрядным АЦП с диапазоном измерения от 0 до 40 В с точностью измерения 0,05 В, а также шестью дискретными входами, двумя 16-разрядными счетчиками импульсов и двумя управляющими выходами, рассчитанными на ток до 300 мА. Широкий диапазон входных напряжений и высокая точность измерения позволяет подключать к Black_box как штатные датчики автомобиля (датчик уровня топлива, тахометр, давление масла двигателя, температура охлаждающей жидкости, включение зажигания), так и установленные дополнительно датчик расхода дизельного топлива и др.). Это позволяет реализовать любую задачу, связанную с управлением мобильных объектов, — от единичного автомобиля до парка в несколько сотен автомашин.

Black_box имеет встроенную защиту от перенапряжения и короткого замыкания, способен сохранять 180 000 записей с интервалом от 1 до 50 с.

При формировании пакета данных с интервалом 10 с емкость памяти устройства позволяет записывать данные в течение 20 суток, после полного заполнения памяти устройства новые данные записываются «по кругу», стирая наиболее старые. Наличие порта RS-232 позволяет существенно расширить его функциональные возможности, а также производить диагностику и настройку. Black_box имеет автономный источник питания — Li-on батарею емкостью 1,2 А·ч, которая позволяет системе автономно работать при потере бортового питания до 48 ч. Перенос информации с объектов наблюдения на компьютер диспетчера осуществляется вручную при помощи флэш-карты. Корпус устройства Black_box изготовлен из алюминия, имеет современный дизайн и отличается небольшими размерами. В комплект поставки входит: Black_box, внешняя GPS-антенна, комплект проводов (для подключения к системам автомобиля), удлинитель считывателя (при помощи которого данные переносятся на флэш-карту).

 

На рис. 4 схематически изображен принцип работы системы Black_box.

 

Такая система, установленная на автомобиле, записывает данные с датчиков, а также информацию о скорости и местоположении объекта с заданным интервалом времени. Эти данные вручную при помощи флэш-карты переносятся на компьютер диспетчера, где при помощи ПО клиента становятся доступны для анализа.

Система Black_box-GSM

Black_box-GSM представляет собой законченное решение системы мониторинга автотранспорта, выполненное на функциональной базе Black_box со встроенным малогабаритным модулем GSM/GPRS нового поколения. Данная система позволяет получать данные об объекте наблюдения в «реальном времени» с заданным интервалом по каналу GPRS.

Пакеты данных с установленного на транспортном средстве Black_box-GSM через Интернет передаются на сервер компании-поставщика или сервер клиента. Модуль GSM/GPRS имеет встроенный стек протоколов ТСР/IP, позволяющий существенно упростить обмен информацией в Интернете. Этот модуль работает в GSM-сетях на частотах 900/1800/1900 МГц. Он поддерживает передачу данных в трех режимах:

* GSM/GPRS — позволяет передавать данные на сервер через Интернет по протоколу ТСР/IP;

* GSM/CSD — позволяет передавать данные напрямую на модем диспетчерского пункта со скоростью 9600 бит/с, а также производить настройки оборудования;

* GSM/SMS — позволяет дистанционно производить настройку оборудования с мобильного телефона.

Кроме того, предусмотрено неавтоматическое получение информации («вручную») при помощи флэш-карты — используется как резервный способ получения информации, либо на местности, где сотовая связь недоступна.

Black_box-GSM имеет автономный источник питания — Li-on батарею емкостью 1,2 А·ч, которая позволяет системе автономно работать при потере бортового питания до 24 ч. Корпус устройства Black_box-GSM изготовлен из алюминия, имеет современный дизайн и отличается небольшими размерами. В комплект поставки входит: Black_box-GSM, внешняя GPS-антенна, внешняя GSM-антенна, комплект проводов (для подключения к системам автомобиля).

На рис. 5 схематически изображен принцип работы системы Black_box-GSM. Эта система, установленная на автомобиле, записывает данные с датчиков, а также информацию о скорости и местоположении объекта с заданным интервалом времени. Эти сведения по каналу GPRS с помощью модуля GSM/GPRS передаются на сервер (интервал времени получения данных определяется для каждого устройства), затем диспетчер по Интернету при помощи ПО клиента получает данные (местоположение транспорта в реальном времени) с сервера, после чего они становятся доступны для анализа.

 

Рис. 5 Принцип работы системы Black_box-GSM

 

В таблице 1 приведены технические характеристики устройств Black_box и Black_box-GSM.

 

 

Для эксплуатации оборудования нами разработан программный комплекс CarControl, который состоит из двух частей: ПО сервера и ПО клиента.

Описание ПО сервера

ПО сервера позволяет получать и сохранять:

* данные, поступающие с мобильных объектов на выделенные порты сервера по протоколу ТСР/IP;

* данные, поступающие с мобильных объектов в режиме GSM/CSD с использованием GSM-терминала, а также передавать ранее полученные на сервер данные о мобильных объектах на компьютеры диспетчерских центров (по запросу).

Через один порт сервера возможно получение информации о 100 мобильных объектах. Максимальное количество компьютеров диспетчерских пунктов, которые могут передавать данные на сервер через один порт, — 50. Данные, поступающие на сервер, содержат информацию как о маршруте транспортного средства, скорости, данных с датчиков и т. д., так и о местонахождении автомобилей в режиме реального времени и тревожных событиях. При передаче данных осуществляется их программное сжатие и идентификация лица, получающего доступ к данным (по имени пользователя и паролю). ПО сервера имеет веб-интерфейс, позволяющий клиентам получать данные о мобильных объектах без использования специального ПО клиента, посредством обычного Интернет-браузера. Веб-интерфейс работает по стандартному протоколу HTTP и позволяет клиентам использовать для получения информации как полноценные ПК, так и коммуникаторы и мини-компьютеры, подключенные к Интернету. ПО сервера позволяет дистанционно производить настройку оборудования с помощью терминала в ручном режиме, а также полностью производить администрирование базы данных сервера.

Описание ПО клиента

ПО клиента позволяет:

* получать с сервера данные о пройденном транспортным средством маршруте с полной телеметрической информацией (данные о скорости, данные с датчиков и т. д.), а также данные о местонахождении мобильных объектов в режиме реального времени;

* сохранять полученные данные на локальном компьютере пользователя;

* передавать на сервер данные, полученные с мобильных объектов, «вручную» с помощью флэш-карт;

* организовывать диспетчерские пункты мониторинга и управления мобильными объектами в реальном времени с использованием ГИС (геоинформационной системы);

* просматривать маршруты транспортных средств, наложенных на векторную карту, за выбранный интервал времени;

* просматривать маршруты транспортных средств в виде анимационных роликов;

* получить подробный отчет о маршруте за выбранный интервал времени в различных программах: Microsoft Excel, OpenOffice, HTML (отчет формируется на основании предварительных настроек и содержит как обязательные основные параметры, так и вычисляемые параметры для решения более сложных задач);

* изображать телеметрическую информацию в виде графиков в зависимости от времени или от пройденного расстояния;

* производить администрирование базы данных клиента и настройку ПО под нужды конкретного пользователя;

* вводить многопользовательский режим для ПО диспетчерского центра, работающего с общей базой данных.

Система мониторинга на основе GPS была разработана в 2003 году специально для предприятий лесного комплекса и затем на протяжении ряда лет испытывалась крупными лесозаготовительными компаниями Ленинградской, Архангельской, Вологодской, Кировской и других областей. Эта система может использоваться на всех видах грузового транспорта, на легковом транспорте, маломерных судах и других мобильных объектах, и в настоящее время она является наиболее надежной и недорогой в эксплуатации системой для мониторинга автотранспорта.