Системы навигации на базе спутниковых технологий

Автомобильные навигационные системы – достаточно совершенные в техническом отношении устройства, которые существенно повышают безопасность и комфортность движения. Тот факт, что их стали производить многие компании и устанавливать в автомобили бизнес-класса, свидетельствует об увеличении спроса и признании потребителями. Несмотря на успехи в создании систем навигации и связи для транспорта, рынок таких систем в России можно рассматривать как зарождающийся.

Информируя читателей о системах навигации и слежения, мы надеемся привлечь внимание потенциальных пользователей.

Принципы построения систем навигации

Знать о своем местоположении – необходимое условие деятельности человека, связанной с перемещением (доставкой) грузов, путешествиями, военными действиями. Из этих потребностей выросла наука «навигация», появились различные навигационные приборы и средства – секстан, компас, карта и др. Самые совершенные и технически сложные средства навигации широкое применение нашли на море и в авиации. Наземным путникам в основном были доступны карты, компасы и одометры.

По мере развития новых средств навигации – инерциальных, радиотехнических, а также возрастания роли и объема наземных транспортных перевозок в повседневной жизни, современное навигационное оборудование постепенно стало появляться и на наземном транспорте. К этому подтолкнула необходимость автоматизации управления транспортными предприятиями, контроля труда и отдыха водителей, организации обеспечения безопасности перевозок и охраны грузов и автомобилей. Большое число транспортных средств на дорогах, плотные транспортные потоки превращают вождение автомобиля в утомительную работу. От того, насколько хорошо водитель ориентируется на незнакомой дороге или в незнакомом городе, зависит не только скорость доставки груза, но и жизнь, и безопасность окружающих.

Для транспортных предприятий очень важны правильная организация грузоперевозок, оптимальное управление транспортными потоками, обеспечение непрерывного слежения и контроля за передвижением транспорта, за перевозкой ценных или особо опасных грузов. Поэтому возможность информационной поддержки водителей, диспетчеров тоже способствует признанию систем навигации и слежения на наземном транспорте.

Технология определения местоположения (позиционирования) является фундаментом построения систем навигации транспортных средств и систем слежения за ними. На наземном транспорте наиболее употребительными являются следующие методы местоопределения:

– маркерные (зоновые);

– одометрические (методы счисления пути);

– инерциальные;

– радиомаячные и радиопеленгационные;

– методы космической навигации.

В последние годы для определения местоположения наземных транспортных средств все более широкое распространение получают методы космической навигации, основанные на использовании информации космических навигационных и навигационно-связных систем.

Космические системы навигации и связи основаны на последних достижениях науки и техники и имеют глобальную зону действия, обеспечивают оперативность и высокую точность определения координат транспортного средства. В космических навигационных системах в качестве ориентиров выступают космические аппараты, относительно которых с помощью специальной навигационной аппаратуры проводятся измерения навигационных параметров.

В настоящее время наибольшее применение получили космические навигационные системы GPS (США) и ГЛОНАСС (РФ). Готовится к развертыванию и европейская космическая навигационная система GALLILEO. Системы ГЛОНАСС и GPS обеспечивают бесплатную глобальную всепогодную круглосуточную навигацию. В каждую систему входит орбитальная группировка (созвездие) навигационных спутников с высотой орбиты около 20 тыс. км. В отличие от системы GPS, имеющей орбитальную группировку из 24 спутников, в составе отечественной системы ГЛОНАСС только 14 рабочих спутников. Это ограничивает возможности российской системы.

Спутники непрерывно излучают навигационные радиосигналы. На транспортном средстве, где устанавливается навигационный приемник, принимаются сигналы одновременно с нескольких спутников каждой навигационной системы. При наличии в зоне видимости одновременно четырех спутников в приемнике определяются координаты, высота, скорость, курс транспортного средства и текущее время. В качестве дополнительной информации могут рассчитываться и предоставляться пользователю направление на очередную точку маршрута, пройденное и оставшееся расстояние до различных точек маршрута, время прибытия к цели, отклонение от заданного маршрута и пр.

Выходные данные при необходимости могут отображаться на экране прибора в виде точки на карте или плане местности и параллельно выдаваться через устройство сопряжения в канал связи с диспетчерским центром.

Точность местонахождения обычных приемников любой из систем составляет 10...30 метров. Предпочтительный выбор GPS-приемников связан в первую очередь с их невысокой стоимостью.

Следует отметить, что кроме космических навигационных систем GPS и ГЛОНАСС для определения местоположения достаточно широкое применение на наземном транспорте находит и навигационно-связная система EutelТracs, в которой местоопределение осуществляется по измерениям относительно геостационарных спутников связи.

Большинство современных систем навигации автомобиля включает электронный дисплей с картой-схемой автомобильных дорог с пиктограммами, указывающими текущее расположение автомобиля и адресата. Наиболее передовые системы вычисляют и оптимальные маршруты, используют упрощенную графику и/или синтезатор голоса, чтобы обеспечить выдачу подсказок в реальном масштабе времени, постепенно выдавая необходимые команды управления для адресата. Будущие системы могут включать дисплеи, которые проектируют маршрутную или другую информацию на ветровое стекло автомобиля.

Автомобильные навигационные системы включают цифровые базы данных карт-схем автомобильных дорог, дающие расположение, классификацию и названия дорог в областях, где перемещается потребитель. База данных карт может включать особенности регулирования дорожного движения и типичное время прохождения отдельных участков дорог для использования в вычислении оптимальных маршрутов, как и дополнительной информации (расположение и описание ремонтных центров, заправочных станций, гаражей, общественных зданий, отелей, ресторанов, достопримечательностей и др.).

Структура систем слежения

На основе систем определения местоположения транспортных средств строится структура системы слежения (мониторинга). Данные от автомобильной навигационной системы передаются по каналу связи в диспетчерский центр в реальном масштабе времени или после завершения рейса. В диспетчерском центре полученные данные отображаются на электронной карте местности, заносятся в базы данных и используются для управления перевозками.

Объединение навигационно-связного оборудования транспортных средств, канала связи и обмена данными, а также оборудования диспетчерского центра и образует систему слежения за транспортными средствами – AVL ( от англ. Automatic Vehicle Location systems). В AVL-системах на основе спутниковых технологий на транспортном средстве устанавливается бортовой комплект – навигационный приемник GPS (ГЛОНАСС, GALLILEO), блок управления (контроллер), модем, средства связи и передачи данных (в простейшем случае – радиостанции).

Полученные от спутникового навигационного приемника значения долготы, широты, высоты, скорости и направления движения автомобиля автоматически или по запросу центра слежения (диспетчерского центра) по каналу связи (выделенному УКВ- или КВ-радиоканалу, транкинговой или сотовой системе связи) передаются в диспетчерский центр. Навигационная информация может дополняться данными от разных датчиков, устанавливаемых в автомобиле (о текущем состоянии автомобиля, включении зажигания, открытии дверей, люков, ударах, опрокидывании, включении спецсигналов и т.п.).

В центре слежения (диспетчерском центре) высокоточная информация о скорости и местоположении транспортного средства отображается на электронной карте. При этом есть возможность в широком диапазоне менять масштабы карт, отображать текущее положение всего парка и отдельных объектов, видеть весь пройденный маршрут в динамике с указанием времени и скорости, отображать объекты различным цветом, масштабировать объекты и др.

Поэтому диспетчер всегда знает текущее местоположение всех транспортных средств, прогнозирует время прибытия в пункт назначения, при необходимости корректирует маршрут движения транспортных средств и имеет двухстороннюю связь с водителем в любое время.

Получаемая в процессе слежения информация о местоположении, скорости и состоянии транспортного средства сохраняется в базе данных и может быть использована для послерейсового анализа.

Системы слежения за транспортными средствами можно условно разделить по зоне действия:

• локального покрытия (до 50 км);

• регионального покрытия (несколько сотен км);

• глобального покрытия.

Размеры зоны действия систем слежения определяются как зоной действия подсистемы навигации, так и зоной действия систем связи. В системах слежения на основе спутниковых навигационных технологий зона действия систем слежения целиком определяется дальностью действия используемых систем связи.

Для построения локальных систем слежения могут использоваться стандартные (conventional) системы радиосвязи с использованием ретранслятора или без него. Если система использует прямой радиоканал на выделенной частоте, то радиус зоны охвата может составлять около 5...30 км в зависимости от используемой частоты и мощности передатчика, высоты подъема антенны передатчика и других условий.

Для построения локальных и региональных систем слежения используют транкинговые и сотовые системы связи. В этом случае рабочая область системы слежения совпадает с зоной действия соответствующей сети связи.

Широкие перспективы в создании систем слежения открывает использование сотовых сетей связи в режиме передачи данных. В этом случае за счет роуминга зона действия системы слежения может составлять сотни километров. Предпосылки к этому – возможности по передаче коротких пейджинговых сообщений с помощью протокола SMS. Но наиболее интересным является режим GPRS, позволяющий использовать возможности Интернет для организации удаленного контроля за транспортными средствами. При этом стоимость передачи единичного пакета информации с транспортного средства на диспетчерский пункт получается значительно ниже, чем с использованием режима SMS. Однако неразвитость сетей, поддерживающих режим GPRS, является существенным ограничением использования таких систем.

Системы слежения с глобальным покрытием используют для контроля за транспортными средствами при междугородных и международных перевозках. Для этих систем могут быть использованы каналы спутниковых систем подвижной связи на базе геостационарных или низкоорбитальных спутников.

В настоящее время основная масса систем слежения для дальних перевозок использует системы на базе геостационарных спутников связи – системы Inmarsat и EutelTracs.

Международная система спутниковой связи Inmarsat разрабатывалась как спутниковая система связи для военно-морского флота и морских перевозок, но последняя реализация системы Inmarsat рассчитана и на сухопутные транспортные средства. Система Inmarsat не имеет независимого канала определения местоположения, однако в настоящее время рядом фирм выпускаются связные терминалы, совмещенные с приемником GPS, что позволяет использовать данную систему для указанных целей.

Зона обслуживания системы Inmarsat охватывает почти всю поверхность земного шара, за исключением околополюсного пространства.

Для контроля за местоположением транспортных средств и связи с ними в любой точке мира на транспортное средство устанавливается спутниковая станция «Inmarsat» со встроенным приемником GPS. Габариты мобильного комплекта таковы, что он без проблем устанавливается на легковой автомобиль.

По заданному интервалу или по запросу из диспетчерского центра информация с навигационного приемника GPS (географические координаты, скорость) в цифровом виде поступает в диспетчерский центр. Точность определения местоположения транспортного средства, как правило, порядка 100 м. В диспетчерском центре происходит обработка информации, поступающей от транспортных средств. Их местоположение отображается на цифровых электронных картах и одновременно заносится в базу данных.

Возможен обмен текстовой информацией между диспетчерским центром и подвижным объектом, а также между подвижным объектом и сетями Телекс, Факс, X.25, X.400, E-mail, другими станциями системы Inmarsat. Между транспортным средством и диспетчерским центром возможен обмен короткими текстовыми сообщениями, которые в автомобиле высвечиваются на индикаторе бортового компьютера.

Комбинированная система определения координат и связи EutelTracs была создана в 1992 г. на основе спутников связи EutelSat и в настоящее время используется в Европе, Северной Африке и на Ближнем Востоке. Система EutelTracs разрабатывалась специально для наземного транспорта.

В сеть EutelTracs входит центральная станция и станция маршрутизации («почтовый ящик» системы, расположенный во Франции), а также несколько спутниковых диспетчерских пунктов и мобильные терминалы. Связь с абонентами устанавливается с помощью спутниковых диспетчерских пунктов. Станция маршрутизации выполняет обработку сообщений и выдает разрешение на установление соединения. Диспетчерские пункты могут быть связаны со станцией маршрутизации по телефонным линиям общего пользования (PSTN) или каналам сети передачи данных (PSDN). Определение местоположения транспортного осуществляется либо по измерениям относительно спутников связи EutelTracs, либо с помощью приемника GPS. Точность определения координат порядка 100 м.

Для организации системы слежения на каждой автомашине устанавливается малогабаритный мобильный связной терминал (МСТ), состоящий из трех блоков: пульт водителя, связной блок и антенна. Рабочее место диспетчера – стандартный персональный компьютер и модем, обеспечивающий связь с российским региональным центром системы в Москве.

Чтобы диспетчер мог постоянно следить за движением автомашин, в системе предусмотрено автоматическое ежечасное определение их положения и наблюдение за движением по карте автодорог на экране компьютера. Получение, регистрация и хранение информации ведется автоматически даже в отсутствие диспетчера на основе принципа «электронного почтового ящика».

При дополнительном оснащении мобильных терминалов системами телеметрии может вестись дистанционный контроль параметров транспортных средств и грузов. При возникновении на трассе чрезвычайной ситуации, когда срочно требуется помощь (авария или поломка транспортного средства, нападение или внезапная болезнь), водитель имеет возможность послать сигнал бедствия одним нажатием кнопки. Этот сигнал с указанием времени и места подачи дополнительно дублируется по «горячей» линии системы EutelTracs.

Вторым направлением создания систе
м слежения для дальних перевозок является использование каналов низкоорбитальных систем подвижной спутниковой связи. Основное отличие данных систем от геостационарных состоит в том, что их орбитальные группировки включают низкоорбитальные спутники с небольшой высотой орбиты (около тысячи километров). Это позволяет создать более дешевые и малогабаритные абонентские спутниковые терминалы.

В настоящее время в России представлена низкоорбитальная система связи Globalstar. В систему спутниковой связи Globalstar входят 48 космических спутников связи, наземный сегмент, пользовательское оборудование. Система обеспечивает персональную связь в пределах 70° ю.ш. ... 70° с.ш.

Система Globalstar может использоваться в качестве системы связи для обеспечения слежения за транспортными средствами при дальних перевозках. Для абонентов системы Globalstar предлагаются портативные и мобильные варианты для установки на транспортных средствах, а также станционарные абонентские терминалы (АТ). С использованием малогабаритных абонентских терминалов в системах слежения могут быть реализованы функции голосовой связи, передачи навигационных сообщений и служебных, аварийных сигналов и различных сигналов о неисправности узлов транспортного средства, о несанкционированном доступе к грузу, сигналов бедствия и предупреждения.

Общий недостаток, объединяющий системы, использующие спутниковые каналы для передачи данных типа Inmarsat, EutelTracs или Globalstar – это достаточно высокая стоимость бортового оборудования (свыше $1000) и сравнительно дорогая абонентская плата за трафик.

Отдельно следует отметить устройства для реализации послерейсового контроля за маршрутом транспортных средств. По аналогии с авиацией эти устройства тоже названы «черным ящиком».

Эта разновидность систем слежения является наиболее дешевой в реализации, поскольку отсутствуют дорогое связное оборудование и оплата трафика. Использование «черного ящика» позволяет транспортным предприятиям и компаниям составлять оптимальные задания на грузоперевозки; выявлять нарушения водителем путевого задания; решать спорные вопросы о режимах перевозки грузов (например, скоропортящихся грузов). При массовом использовании бортовых устройств регистрации на автотранспортных средствах полученные данные о маршрутах и режимах движения могут найти применение для разбора причин дорожно-транспортных происшествий.

Обычно «черный ящик» записывает координаты точек маршрута движения с указанием времени их прохождения, фиксирует дополнительную телеметрическую информацию, например, температуру в рефрижераторе, расход топлива, факты открытия и закрытия дверей фургона и др. Прибор может записать до 50 000 сообщений, что позволяет при частоте регистрации информации 1 раз в минуту записывать маршрут более месяца. Данное устройство малогабаритно (от 0,2 до 1 л), неприхотливо в эксплуатации (–30° ...+60° С).

«Черный ящик» стационарно устанавливается на транспортное средство и включается при начале движения (остановить работу «черного ящика» водитель не может). «Черный ящик» можно устанавливать скрытно. По возвращении транспортного средства информация о пройденном маршруте считывается при помощи переносного компьютера или специального устройства считывания. Информация о пройденном маршруте отображается на фоне электронной карты местности. Программное обеспечение позволяет проанализировать прохождение маршрута:

• место/ время остановок;

• показания датчиков (например, открытие дверей фургона или температура в рефрижераторе);

• уход с маршрута, запись маршрутов в базу данных, сравнение различных пройденных маршрутов и создать необходимые отчетные формы.

В заключение следует отметить, что использование спутниковых систем слежения за транспортными средствами позволяет кардинально оптимизировать систему управления грузоперевозками, повысить безопасность пассажирских и грузовых перевозок. Подобная оптимизация позволяет, как показывают исследования, повысить эффективность работы предприятия на 20%.