Современные беспроводные системы контроля

Размещено на http://allbest.ru

Введение

На сегодняшний день одной из главных областей применения GPS-технологий является мониторинг автотранспортных средств. Современные системы контроля позволяют получать оперативную информацию о точном местоположении объекта, его остановках, скорости, с которой он передвигается, уровне топлива в баке и т.д.

Тщательно проработанные системы мониторинга автотранспортных средств получили широчайшее распространение. Их используют государственные и частные транспортные компании, строительные фирмы, а также другие организации, в инфраструктуре которых есть транспортный отдел.

Внедренная на предприятие система мониторинга автотранспортных средств решает целый комплекс задач. Возможности системы помогают обезопасить грузоперевозки, в значительной степени снизить транспортные расходы, сделать услуги по перевозке более качественными. Огромное количество компаний уже оборудовали штатные диспетчерские службы по GPS мониторингу автотранспортных средств. Столь же многие планируют в ближайшее время освоить спутниковый мониторинг автотранспортных средств.

1. Системы мониторинга, использующие методы спутниковой радионавигации

Оборудование спутниковых навигационных систем является высокотехнологичным, легко интегрируется с другими видами технического и программного обеспечения. В простейшем случае структура подобной системы выглядит так:

Ё на автомашине устанавливается навигационный приемник, работающий по сигналам СРНС GPS, который через интерфейс RS232 подключается к модему любительской пакетной радиосвязи стандарта TNC-2. Через аудиоинтерфейс модем подключается к произвольной автомобильной радиостанции УКВ диапазона, работающей в режиме Conventional Radio;

Ё в диспетчерском центре работает ПК, на котором установлены ГИС-пакет MapInfo, отсканированная растровая карта и приложение, написанное на MapBasic, обеспечивающее визуализацию текущего местоположения подвижного объекта на фоне карты;

Ё к диспетчерскому ПК подключается радиомодем аналогичный тому, что установлен на борту, и радиостанция с антенной.

Несмотря на кажущуюся простоту, подобные системы в ряде случаев могут достаточно эффективно выполнять свои функции. Вместе с тем, для подобной системы свойственны некоторые существенные ограничения, не позволяющие использовать ее для серьезных применений.

Во-первых, это неэффективное использование радиочастотного спектра (режим Conventional Radio на выделенных частотах), «перегруженность» протокола АХ25, применяемого в пакетных радиомодемах, реализация защиты от ошибок только путем переспроса, низкая скорость передачи данных за счет использования полосы речевого канала и как следствие всего этого - низкая пропускная способность системы.

Во-вторых, сложность организации радиопокрытия большой территории. Предусмотренный протоколом АХ25 режим передачи через ретрансляторы с повтором (диджипитеры) может эффективно работать только вдоль протяженных трасс.

В-третьих, полная незащищенность системы от постороннего проникновения - как с целью перехвата данных, так и с целью несанкционированного использования инфраструктуры сети передачи данных. Реально подобная система может обеспечить контроль местоположения 10-20 автомашин с периодом обновления информации 1-5 минут для каждой автомашины.

2. Спутниковый мониторинг автотранспорта

Система спутникового мониторинга автотранспорта включает в себя:

Ё Транспортное средство, оборудованное GPS-трекером GPS/ГЛОНАСС контроллером или трекером, который получает данные от спутников и передаёт их на сервер мониторинга посредством GSM, CDMA или реже космической и УКВ связи. Реже используются контроллеры, которые накапливают данные во внутренней памяти устройства. Затем эти данные переносятся на север по проводным каналам, либо через Bluetooth или Wi-Fi.

Ё Сервер с программным обеспечением для приёма, хранения, обработки и анализа данных.

Ё Компьютер пользователя или диспетчера, ведущего мониторинг.

Для получения дополнительной информации на транспортное средство устанавливаются дополнительные датчики, например:

Ё датчик расхода топлива;

Ё датчик нагрузки на оси ТС;

Ё датчик уровня топлива в баке;

Ё факт открывания двери или капота;

Ё факт наличия пассажира (такси);

Ё температура в рефрижераторе;

Ё факт работы или простоя спецмеханизмов (поворот стрелы крана, работы бетоносмесителя);

Ё факт нажатия тревожной кнопки.

Системы спутникового мониторинга транспорта решают следующие задачи:

Ё Мониторинг направления и скорости движения транспортного средства, показателей датчиков и других приборов в реальном времени.

Ё Учёт статистики использования транспортного средства, включая пройденного километража, расхода топлива, скорости движения, времени работы механизмов.

Ё Контроль соответствия фактического маршрута плановому позволяет повысить дисциплину водителей, избежать случаев нецелевого использования транспортного средства, накрутки(изменения показателя) спидометра. Контроль показателей датчиков топлива позволяет избежать случаев слива ГСМ, распространённые в России. Контроль геозоны позволяет контролировать нахождение транспортного средства в заданных границах.

Ё Безопасность: знание местоположения позволяет быстро найти угнанное либо попавшее в беду транспортное средство. Автомобили специального назначения, такси могут оборудоваться скрытой кнопкой, нажатие либо ненажатие на которую отсылает тревожный сигнал в диспетчерский центр. Кроме этого, некоторые терминалы спутникового мониторинга могут работать в режиме GSM-сигнализации, то есть сообщать на сервер мониторинга информацию в случае срабатывания штатной сигнализации.

Схема работы: Типичная система GPS-мониторинга состоит из трёх звеньев: терминалов, устанавливаемых на автомобили, сервера и клиентских рабочих мест. Терминалы представляют собой специализированные трекеры, содержащие модуль собственно GPS и модуль сотовой связи (GSM или CDMA).

Функции сервера может выполнять как обычный ПК с установленным серверным программным обеспечением для относительно простых систем мониторинга, так и распределенная кластерная система со специализированным программным обеспечением для сложных бизнес-ориентированных систем мониторинга.

В отличие от рабочих мест, сервер должен быть всегда включён, так как именно на нём накапливаются данные о маршрутах.

Также важным является поддержание целостности информации и ее своевременное резервирование для поддержания актуальной информации о мониторинге. Клиентское программное обеспечение в редких случаях может быть объединено в одну программу с серверной частью, но, как правило, допускается одновременное подключение нескольких рабочих мест к одному серверу. В некоторых системах за счет установки специализированного программного обеспечения на клиентские компьютеры достигается возможность получения оперативной информации путем использования веб-каналов.

3. Глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС)

ГЛОНАСС - советская и российская спутниковая система навигации, разработана по заказу Министерства обороны СССР. Основой системы должны являться 24 спутника, движущихся над поверхностью Земли в трёх орбитальных плоскостях с наклоном орбитальных плоскостей 64,8° и высотой 19 100 км.

История развития ГЛОНАСС. Первый спутник ГЛОНАСС был выведен Советским Союзом на орбиту 12 октября1982 года. 24 сентября1993 года система была официально принята в эксплуатацию с орбитальной группировкой из 12 спутников. В декабре 1995 года спутниковая группировка была развернута до штатного состава -- 24 спутника.

В августе 2001 года была принята федеральная целевая программа «Глобальная навигационная система», согласно которой полное покрытие территории России планировалось уже в начале 2008 года, а глобальных масштабов система достигла бы к началу 2010 года.

Для решения данной задачи планировалось в течение 2007, 2008 и 2009 годов произвести шесть запусков РН и вывести на орбиту 18 спутников -- таким образом, к концу 2009 года группировка вновь насчитывала бы 24 аппарата. спутниковый диспетчерский навигатор автотранспорт

На совете главных конструкторов ГЛОНАСС план развёртывания системы был скорректирован с той целью, чтобы на территории России система ГЛОНАСС заработала хотя бы к 31 декабря 2008 года. Однако в марте 2008 года сроки изготовления спутников и ракет были пересмотрены, чтобы ввести все спутники в эксплуатацию до конца года. Предполагалось, что запуски состоятся раньше на два месяца и система до конца года в России заработает. Планы были реализованы в срок.

29 января 2009 года было объявлено, что первым городом страны, где общественный транспорт в массовом порядке будет оснащён системой ГЛОНАСС, станет Сочи. На тот момент ГЛОНАСС-оборудование производства компании «M2M телематика» было установлено на 250 сочинских автобусах.

В ноябре 2009 года было объявлено, что Украинский научно-исследовательский институт радиотехнических измерений (Харьков) и Российский научно-исследовательский институт космического приборостроения (Москва) создадут совместное предприятие. Стороны создадут систему спутниковой навигации для обслуживания потребителей на территории двух стран. В проекте будут использованы украинские станции коррекции для уточнения координат систем ГЛОНАСС.

Основные элементы и принцип работы ГЛОНАСС: Полная орбитальная группировка (ОГ) в СРНС (спутниковая радионавигационная система) ГЛОНАСС содержит 24 штатных Космических Аппарата (КА) на круговых орбитах на высоте 19100км., в трех орбитальных плоскостях по восемь КА в каждой. Управление орбитальным сегментом ГЛОНАСС осуществляет наземный комплекс управления.

Он включает в себя центруправления системой (г.Краснознаменск, Московская область) и сеть станций слежения и управления, рассредоточенных по территории России. Наземный комплекс управления осуществляет сбор, накопление и обработку траекторной и телеметрической информации обо всех спутниках системы, формирование и выдачу на каждый спутник команд управления и навигационной информации, а также контроль качества функционирования системы в целом.

Управление спутниками ГЛОНАСС осуществляется в автоматизированном режиме. Выведение спутников ГЛОНАСС на орбиту осуществляется носителем тяжелого класса «ПРОТОН» с разгонным блоком с космодрома Байконур. Носитель одновременно выводит три спутника ГЛОНАСС. ГЛОНАСС является государственной системой, которая разрабатывалась как система двойного использования, предназначенная для нужд Министерства обороны и гражданских потребителей.

Обязанности по управлению и эксплуатации системы ГЛОНАСС возложены на Министерство обороны Российской Федерации (Космические войска). По своей структуре системы спутниковой навигации ГЛОНАСС и GPS являются системами двойного действия и предназначены для использования, как в военных целях, так и в гражданских.

По новому, корректированному, проекту программы ГЛОНАСС спутниковая группировка системы будет состоять из 30 космических аппаратов, часть из которых будет находиться в рабочем резерве.

При доведении количества действующих спутников до восемнадцати, на территории России обеспечивается практически 100%-ная непрерывная навигация. На остальной части земного шара при этом перерывы в навигации могут достигать полутора часов.

Практически непрерывная навигация по всей территории Земли обеспечивается при полной орбитальной группировке из двадцати четырёх действующих спутников.

В данный момент используются спутники типов ГЛОНАСС и ГЛОНАСС-М. С началом эксплуатации спутников нового поколения ГЛОНАСС-К планируется повысить точность определения координат до 5 метров.

Системы спутниковой навигации ГЛОНАСС и GPS состоят из трех основных сегментов: космического (ИСЗ), наземного управления ИСЗ и навигационного оборудования конечных пользователей системы. Число пользователей навигационной системы GPS и ГЛОНАСС постоянно растет и на сегодняшний день очень многочисленно. В системе ГЛОНАСС применяется разделение сигналов по частотам (FDMA), которые излучают искусственные спутники на две фазы.

Первый сигнал имеет частоту в диапазоне L1 1600 МГц, а второй - частоту в диапазоне L2 1250 МГц. При нахождении пользователя с навигационным прибором ГЛОНАСС в зоне видимости спутника ему доступен сигнал с частотой в диапазоне L1 1600 МГц. Вторая частота используется исключительно для нужд военной навигации. Система спутниковой навигации GPS применяет CDMA - кодовое деление сигналов, и так же имеет два диапазона частот L1 1575,42 МГц и L2 1227,6 МГц.

4. Практическое применение ГЛОНАСС

Отечественная ГЛОНАСС по своей структуре, назначению и функциональности аналогична Американской системе GPS. ГЛОНАСС имеет возможность с высокой точностью определять как координаты наземного объекта, так и осуществлять временную и скоростную привязку. На сегодняшний день применение систем спутниковой навигации ГЛОНАСС и GPS очень широко - на судоходных реках, в морях и океанах, в крупных городах и на магистралях.

Использование системы ГЛОНАСС и GPS для гражданских нужд возможно в различных сферах - в сотовой связи, грузоперевозках, страховой деятельности, в службах такси, путешествиях, просто поездках по мегаполису, в картографии и энергетике, поисково-спасательных работах и строительстве, для слежения за миграцией животных. Радиус действия между базовыми станциями составляет до 2 тыс. км, а между базовой станцией и локальным приемником - до 220 км.

Сферы применения ГЛОНАСС:

Ё Министерство обороны;

Ё Транспорт (космический, воздушный, морской, речной, наземный);

Ё Решение прикладных (геодезия, картография, океанография, геофизика, землеустройство, геология, добыча полезных ископаемых, рыболовство, экология) и научных задач (фундаментальные и научно-экспериментальные исследования).

5. Сравнение ГЛОНАСС и GPS

Рассмотрим некоторые особенности основных систем спутниковой навигации (NAVSTAR и ГЛОНАСС): Обе системы имеют двойное назначение -- военное и гражданское, поэтому излучают два вида сигналов: один с пониженной точностью определения координат (~100 м) для гражданского применения и другой высокой точности (~10-15 м и точнее) для военного применения.

Спутники NAVSTAR располагаются в шести плоскостях на высоте примерно 20 180 км. Спутники ГЛОНАСС (шифр «Ураган») находятся в трёх плоскостях на высоте примерно 19 100 км.

Номинальное количество спутников в обеих системах -- 24. Группировка NAVSTAR полностью укомплектована в апреле 1994-го и с тех пор поддерживается, группировка ГЛОНАСС была полностью развёрнута в декабре 1995-го, но с тех пор значительно деградировала.

В настоящий момент идёт её активное восстановление. Обе системы используют сигналы на основе т.н. «псевдошумовых последовательностей», применение которых придаёт им высокую помехозащищённость и надёжность при невысокой мощности излучения передатчиков.

В соответствии с назначением, в каждой системе есть две базовые частоты -- L1 (стандартной точности) и L2 (высокой точности). Для NAVSTAR L1=1575,42 МГц и L2=1227,6 МГц. В ГЛОHАСС используется частотное разделение сигналов, т. е. каждый спутник работает на своей частоте и, соответственно, L1 находится в пределах от 1602,56 до 1615,5 МГц и L2 от 1246,43 до 1256,53. Сигнал в L1 доступен всем пользователям, сигнал в L2 -- только военным (то есть, не может быть расшифрован без специального секретного ключа).

Каждый спутник системы, помимо основной информации, передаёт также вспомогательную, необходимую для непрерывной работы приёмного оборудования.

В эту категорию входит полный альманах всей спутниковой группировки, передаваемый последовательно в течение нескольких минут.

Таким образом, старт приёмного устройства может быть достаточно быстрым, если он содержит актуальный альманах (порядка 1-й минуты) -- это называется «тёплый старт», но может занять и до 15-ти минут, если приёмник вынужден получать полный альманах -- т. н. «холодный старт». Необходимость в «холодном старте» возникает обычно при первом включении приёмника, либо если он долго не использовался.

6. Недостатки GPS системы

Несмотря на все преимущества, у GPS-систем есть и недостатки. Например, GPS- приемник может быть отключен в любой момент, скажем, из соображений безопасности США.

Кроме того, внедрение GPS- технологии подразумевает наличие подробных электронных карт c масштабом до 100 м, которые есть в свободной продаже не в каждой стране. Нельзя не упомянуть то обстоятельство, что при вычислении координат спутниковая система допускает погрешности.

Природа этих ошибок различна. Основными источниками ошибок, влияющими на точность навигационных вычислений в GPS-системе, в частности, являются:

Ё погрешности, обусловленные режимом селективного доступа (Selective availability, S/A). Используя данный режим, Министерство Обороны США намеренно снижает точность определения местонахождения для гражданских лиц.

В режиме S/A формируются ошибки искусственного происхождения, вносимые в сигнал на борту GPS-спутников с целью огрубления навигационных измерений. Такими ошибками являются неверные данные об орбите спутника и искажения показаний его часов за счет внесения добавочного псевдослучайного сигнала. Величина среднеквадратического отклонения из-за влияния этого фактора составляет, примерно, 30 м.

Ё погрешности, связанные с распространением радиоволн в ионосфере. Задержки распространения сигналов при их прохождении через верхние слои атмосферы приводят к ошибкам порядка 20-30 м днем и 3-6 м ночью. Несмотря на то, что навигационное сообщение, передаваемое с борта GPS-спутника, содержит параметры модели ионосферы, компенсация фактической задержки, в лучшем случае, составляет 50%.

Ё погрешности, связанные с распространением радиоволн в тропосфере. Возникают при прохождении радиоволн через нижние слои атмосферы. Значения погрешностей этого вида при использовании сигналов с С/А- кодом не превышают 30 м.

Ё эфемеридная погрешность. Ошибки обусловлены расхождением между фактическим положением GPS-спутника и его расчетным положением, которое устанавливается по данным навигационного сигнала, передаваемого с борта спутника. Значение погрешности обычно не более 3м.

Ё погрешность ухода шкалы времени спутника вызвана расхождением шкал времени различных спутников. Устраняется с помощью наземных станций слежения или за счет компенсации ухода шкалы времени в дифференциальном режиме определения местоположения.

Ё погрешность определения расстояния до спутника является статистическим показателем. Он вычисляется для конкретного спутника и заданного интервала времени. Ошибка не коррелированна с другими видами погрешностей. Ее величина обычно не превышает 10 м.

7. Недостатки системы ГЛОНАСС

Ё необходимость сдвига диапазона частот вправо, так как в настоящее время ГЛОНАСС мешает работе как подвижной спутниковой связи, так и радиоастрономии;

Ё при смене эфемерид спутников, погрешности координат в обычном режиме увеличиваются на 25-30м, а в дифференциальном режиме - превышают 10 м;

Ё при коррекции набежавшей секунды нарушается непрерывность сигнала ГЛОНАСС. Это приводит к большим погрешностям определения координат места потребителя, что недопустимо для гражданской авиации;

Ё сложность пересчета данных систем ГЛОНАСС и GPS из-за отсутствия официально опубликованной матрицы перехода между используемыми системами координат.

8. VOYAGER-4

«Вояджер-4» - спутниковая система защиты автомобиля от угона. Выходит на связь и передает свои координаты на пульт охраны 1-2 раза в сутки. В остальное время находится в режиме «сна», что сильно затрудняет обнаружение прибора радиочастотными сканерами при угоне.

«Вояджер-4» позволяет с высокой вероятностью возвратить владельцу автомобиль в случае угона. Основное преимущество прибора - скрытность и защищенность от средств обнаружения угонщиками. Злоумышленник никогда не сможет наверняка сказать, установлен ли в автомобиле «Вояджер-4» или нет.

Секретная закладка в машину «Вояджер-4» включает в себя миниатюрный прибор, скрытно устанавливаемый в машину и программу мониторинга.

Так как прибор очень маленький его просто спрятать в машине в самых неожиданных местах. Особый режим работы, в котором прибор входит в эфир только через данные промежутки времени (например, раз в сутки) не позволяет обнаружить его GSM-сканером.

Прибор находится в спящем режиме и соответственно ничего не потребляет, поэтому, и по изменению потребления в бортовой сети его тоже нет возможности обнаружить.

Но при необходимости, во время очередной сессии связи с пультом прибор можно перевести в «активный режим» и он будет функционировать как обычная система слежения, передавая в режиме реального времени всю информацию о передвижении объекта на пульт.

Секретная закладка «Вояджер-4» также может быть использована и как основная система спутникового слежения, когда необходим только контроль местоположения, или когда место для установки ограничено размерами (например, в мотоцикле, мотороллере, квадроцикле и прочее).

Например, в автомобиле установлена штатная система сигнализации и секретная закладка «Вояджер 4».

Систему сигнализации сумели отключить, а автомобиль угнали. Злоумышленник также активизировал «глушилку» - прибор, подавляющий сигналы сотовой сети и сигналы со спутников GPS. Поэтому ни одна из спутниковых систем охраны не смогла передать сигнал тревоги.

Пример: использование «Вояджер-4»для защиты автомобиля от угона.

Машину отогнали в «отстойник» - место, где находится автомобиль, пока его не подготовят к отправке в другой регион для перепродажи. В «отстойнике» угонщики проверили автомобиль еще раз с помощью специального радиочастотного сканера - не установлена ли в нем какая-нибудь дополнительная система охраны. Сканер показал, что никакой активности в радиоэфире нет. Угонщики - успокоились и деактивировали свою «глушилку» Они решили, что раз нет посторонних излучений, значит, все системы охраны ими обезврежены.

«Вояджер 4» обнаружить не смогли, потому что он установлен скрытно (легко сделать, так как размеры малы) и не излучает в радиочастотном диапазоне. Метод нахождения скрытой системы сигнализации с помощью измерения токопотребления тоже не дал результатов - энергопотребление «Вояджера 4» настолько мало, что сравнимо с потреблением светодиода.

В определенное время (например, через сутки) «Вояджер 4» определил свои координаты, вышел в эфир и передал их на пульт центрального наблюдения. Если «поймать спутники» в «отстойнике» не получилось, «Вояджер 4» отключится и сделает следующую попытку, когда автомобиль будут перегонять к месту перепродажи. «Вояджер 4» будет выходить на связь раз в сутки (если не запрограммировано другое время), пока не передаст сигнал охранному предприятию.

Когда дежурный пульта охраны (который знает, что автомобиль в угоне) принял сигнал от «Вояджера 4», он перевел его в дежурный режим - теперь прибор передает свои координаты постоянно.

Таким образом, получив координаты автомобиля, дежурный пульта охраны передает их группе быстрого реагирования, которая и производит захват угонщиков и автомобиля. Угонщиков сажают в тюрьму, а автомобиль возвращают владельцу.

Заключение

Спутниковые системы GPS и ГЛОНАСС постоянно модернизируются, улучшается надежность и срок службы, точность определения координат объекта и сервис.

Общее направление модернизации обоих спутниковых систем GPS и Глонасс связано с повышением точности навигационных определений, улучшением сервиса, предоставляемого пользователям, повышением срока службы и надёжностью бортовой аппаратуры спутников, улучшением совместимости с другими радиотехническими системами и развитием дифференциальных подсистем. Общее направление развития систем GPS и Глонасс совпадает, но динамика и достигнутые результаты сильно отличаются.

Совершенствование системы ГЛОНАСС планируется осуществлять на базе спутников нового поколения “ГЛОНАСС-М”. Этот спутник будет обладать увеличенным ресурсом службы и станет излучать навигационный сигнал в диапазоне L2 для гражданских применений.

спутниковый диспетчерский навигатор автотранспорт

Список литературы

1. http://text.tr200.biz/referat_kommunikacii_i_svjazj/?referat=564865&page=1www.ritm.ru;

2. www.msk-gps.ru/page_27_1.htm;

3. http://www.aggf.ru/catalog/razdel/naz_tr/naz_tr_sp.php;

4. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%9B%D0%9E%D0%9D%D0%90%D0%A1%D0%A1.

5. http://www.ixbt.com/mobile/gps.html

Размещено на Allbest.ru