Спутниковый мониторинг автотранспорта

Романов Сергей Владимирович

5 курс, инж., АиАХ, 6 группа.

Система «Глонасс»

1. 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.

2. Спутниковый  мониторинг автотранспорта:

2.1. Техническая  реализация

Система спутникового мониторинга  автотранспорта включает в себя:

- 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.

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

- Компьютер пользователя или диспетчера, ведущего мониторинг.

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

  - датчик расхода топлива;

- датчик нагрузки на оси ТС;

- датчик уровня топлива в баке;

- факт открывания двери или капота;

- факт наличия пассажира (такси);

- температура в рефрижераторе;

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

- факт нажатия тревожной кнопки.

2.2. Решаемые задачи

Системы спутникового мониторинга  транспорта решают следующие задачи:

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

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

- Контроль соответствия фактического маршрута.

- Безопасность

2.3. 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.

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.

3.1. История развития  ГЛОНАСС

Первый спутник ГЛОНАСС  был выведен Советским Союзом на орбиту 12 октября 1982 года. 24 сентября 1993 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.

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.

15 декабря 2009 года на  встрече премьер-министра России  Владимира Путина с главой  Роскосмоса Анатолием Перминовым было заявлено, что развёртывание ГЛОНАСС будет окончено к концу 2010 года.

К 30 марта 2010 года количество работающих КА было доведено до 21 (плюс 2 резервных КА).

3.2. 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 Центр  управления 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.

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.

3.3. 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:

- Министерство обороны;

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

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

4. 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.

4.1. 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:

- 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.

- 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%.

- 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.

- 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.

- 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.

- 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.

4.2. Недостатки системы ГЛОНАСС

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

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

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

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