Местоопределение подвижных объектов на основе спутниковых навигационных систем..
Петров Николай Николаевич, кандидат технических наук
МЕСТООПРЕДЕЛЕНИЕ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ НА ОСНОВЕ СПУТНИКОВЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Данная статья продолжает серию статей, посвященных системам местоопределения и использования их для обеспечения безопасности подвижных объектов. В статье рассматриваются системы местоопределения, использующие методы спутниковой радионавигации. Материал для статьи получен на основе информационных материалов фирм–производителей (технических описаний, рекламных проспектов и т.п.), поэтому глубина и степень подробности напрямую зависят от того, насколько подробны были представленные материалы. Автор заранее приносит извинения тем юридическим и физическим лицам, которые сочтут описание их продуктов не вполне точным, и готов к любым формам сотрудничества с ними для восстановления истины. Автор также далек от мысли, что в данной статье рассмотрены все системы, представленные в настоящее время на рынке.
Как было отмечено в первой статье настоящего цикла, оборудование спутниковых навигационных систем является высокотехнологичным, легко интегрируется с другими видами технического и программного обеспечения. Это позволяет даже небольшим фирмам, имеющим опыт работы с оборудованием подвижной связи и геоинформационным программным обеспечением для персональных компьютеров, браться за создание систем диспетчерского наблюдения за автомашинами, добиваясь определенной степени коммерческого успеха. В простейшем случае структура подобной системы выглядит так:
- на автомашине устанавливается навигационный приемник, работающий по сигналам СРНС GPS NAVSTAR (в виде OEM–оборудования этот приемник стоит 150–300 долларов), который через интерфейс RS232 подключается к модему любительской пакетной радиосвязи стандарта TNC-2 (до 200 долларов). Через аудиоинтерфейс модем подключается к произвольной автомобильной радиостанции УКВ диапазона (до 400 долларов), работающей в режиме Conventional Radio;
- в диспетчерском центре работает персональный компьютер, на котором установлены ГИС–пакет MapInfo, отсканированная растровая карта и приложение, написанное на MapBasic, обеспечивающее визуализацию текущего местоположения подвижного объекта на фоне карты;
- к диспетчерскому компьютеру 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.
Представленные ниже проекты, выполненные на профессиональном уровне, как правило, предусматривают возможность работы в разнообразных сетях передачи данных и позволяют реализовать реально работающие системы различных уровней сложности как для небольших парков машин (несколько десятков), так и для нескольких тысяч подвижных объектов.
Фирма ПРИН, одна из старейших фирм в секторе систем местоопределения на базе спутниковых навигационных технологий, предлагает широкий спектр оборудования и программного обеспечения. Оборудование в основном производится фирмой Trimble Navigation, являющейся лидером мирового рынка навигационного оборудования коммерческого применения. Программное обеспечение разработано также фирмой Trimble, но предлагаются и собственные разработки фирмы ПРИН. Бортовое оборудование фирмы Trimble позволяет конфигурировать системы различной сложности. В простейшем случае на автомашину устанавливается терминал Placer-400, включающий в себя навигационный приемник и простой радиомодем для подключения к радиостанции. Более сложный блок PSC-200 включает в себя микроконтроллер, обеспечивающий подключение ряда бортовых датчиков (датчик состояния зажигания, дискретные входные линии, параллельный интерфейс), а также дополнительных датчиков движения, позволяющих определять местоположение автомашины на основе методов счисления пути при отсутствии видимости навигационных спутников. К контроллеру PSC-200 может подключаться информационный терминал Echo XL, обеспечивающий наглядный интерфейс водителя с диспетчерской системой. С помощью функциональных клавиш обеспечивается передача нескольких типовых сообщений. Большой экран с крупными четкими символами и регулируемой подсветкой позволяет водителю прочитать информацию, переданную из диспетчерского центра, при любом освещении. Нажатие клавиш, поступление информационных сообщений сопровождаются звуковыми сигналами.
Для программного обеспечения систем в центре наблюдения также предлагается ряд приложений разного уровня сложности. Для небольших транспортных парков (до 35 подвижных объектов) может использоваться пакет PC Vtrak. Пакет AVL Manager содержит полный набор программных средств для построения системы слежения и оперативного контроля за большим транспортным парком (до 1000 машин). Система на базе этого пакета обеспечивает регистрацию транспортных средств, осуществляет контроль доступа в систему. Для каждой транспортной единицы устанавливается до 30 различных типов сообщений, автоматически выдаваемых при изменении состояния транспортного средства. Информационные сообщения от бортового оборудования распределяются по различным категориям, отдельно группируются сообщения, содержащие информацию о чрезвычайных происшествиях на борту. Для отображения информации на фоне электронной карты города и обеспечения непрерывного слежения за подвижными объектами используется система StarView, реализованная на UNIX-ориентированных рабочих станциях или Х–терминалах. Станции могут объединяться в сеть и подключаться к системе на базе AVL Manager.
Система Logiq Dispatch предназначена для диспетчеризации дальних грузовых перевозок. Она реализуется на базе терминалов спутниковой связи системы “ИНМАРСАТ”, устанавливаемых на автомашинах.
Оригинальная разработка фирмы ПРИН программный пакет “ПРИН ИДС”, позволяющий в короткий срок развернуть многофункциональную систему слежения и оперативного контроля за небольшим транспортным парком. Данная система позволит осуществлять непрерывный контроль за транспортными средствами, отображать на электронной карте диспетчера координаты точек маршрута транспортного средства, выполнять оптимизацию маршрутов и графиков движения, оперативно реагировать на внештатные ситуации.
Фирма “Транснетсервис” (ТНС) длительное время присутствует на рынке систем местоопределения, имеет значительный опыт разработки и внедрения систем. Предлагает широкий спектр оборудования и программного обеспечения, в том числе диспетчерские системы контроля подвижных объектов, морские навигационные системы, автономные навигаторы и аппаратуру накопления параметров маршрута транспортного средства. Основу системы составляет программное обеспечение “Магеллан-М для обработки картографической и навигационной информации оригинальной разработки, отличающееся высокими эксплуатационными характеристиками. Программное обеспечение разработано по модульному принципу и может легко адаптироваться под применяемые виды аппаратуры, системы связи, изменять состав задач в соответствии с техническим заданием Заказчика. В качестве бортовой аппаратуры в диспетчерских системах рекомендуется применение навигационной и связной аппаратуры фирмы KENWOOD: модуля GPS Модем, включающего 6–канальный навигационный приемник и радиомодем, и автомобильных радиостанций. Устройство GPS Modem специально разработано с учетом использования в диспетчерских системах. В нем реализованы такие важные функции, как помехоустойчивое кодирование и сжатие информации, возможность подключения бортовых датчиков и исполнительных устройств, групповое кодирование подвижных объектов, синхронный режим передачи информации в группе. Это позволяет эффективно использовать радиочастотный ресурс и при этом обеспечивать высокую частоту обновления информации о подвижных объектах. GPS Modem адаптирован для работы с радиостанциями ф. KENWOOD, работающими как в режиме Conventional Radio, так и в транкинговых системах (LTR и MPT1327). Однако могут использоваться и радиостанции других фирм (за счет некоторого снижения функциональных возможностей).
Интересные возможности предоставляет аппаратура накопления параметров движения транспортного средства “БНП–Транс”. Аппаратура устанавливается на подвижный объект (в том числе допускается скрытная от обслуживающего персонала установка) и в автономном режиме производит накопление координат точек маршрута, полученных по сигналам СРНС GPS. Дополнительно могут фиксироваться показания бортовых датчиков (факты открытия/закрытия дверей салона или контейнера, расходомер топлива, измеритель температуры рефрижератора). Емкость энергонезависимой памяти позволяет фиксировать до 20.000 путевых точек, что достаточно для хранения маршрута автомашины за несколько недель. При обработке накопленных данных определяются места отклонения от маршрутного задания (по времени или по месту), попытки несанкционированного воздействия на груз, попытки преднамеренного воздействия на аппаратуру (путем отключения бортового питания) или навигационную антенну. Накапливаемая информация позволит провести оптимизацию маршрутов, повысить безопасность и экономичность перевозок. Данная аппаратура может оказаться полезной и для служб безопасности автотранспортных предприятий, осуществляющих дальние перевозки, и для логистики.
Фирма “Термотех” одна из немногих, кто предлагает практически полный спектр оборудования и программного обеспечения для систем местоопределения собственной разработки. Отличительной особенностью является богатый опыт, накопленный фирмой по работе с отечественной СРНС ГЛОНАСС. Основой системы является навигационно–связной контроллер. Он используется как в составе бортовой аппаратуры, так и на диспетчерских центрах. Навигационно–связной контроллер обеспечивает управление всеми режимами работы радиосредств, обработку всей информации на борту. Бортовая аппаратура обеспечивает круглосуточный непрерывный режим работы, непрерывное определение координат местоположения транспортного средства, автоматическое управление режимами работы бортовой радиостанции, голосовую связь с диспетчером, прием дифференциальных поправок. В составе навигационно–связных контроллеров могут использоваться навигационные приемники СРНС GPS, ГЛОНАСС и совмещенные. Предусматривается возможность работы с автономными каналами связи (УКВ, СиБи), транкинговыми системами, сотовыми и спутниковыми каналами связи. К контроллеру может подключаться терминал с дисплеем и клавиатурой для отображения команд из центра и ввода оператором информационных сообщений. Программное обеспечение диспетчерского центра обеспечивает отображение местоположения подвижных объектов на фоне электронной карты, вызов экипажа на голосовую связь, прием и запись всей информации о событиях, происходящих в системе, сигнализацию оператору об отклонениях в заданных маршрутах движения транспортных средств, формирование дифпоправок.
Фирма “ГеоСпектрум” предлагает оборудование, интегрируемое в широкий спектр систем радиосвязи: сети пакетной радиосвязи, транкинговые системы LTR, MPT1327, Edacs, сети спутниковой связи. Программное обеспечение диспетчерского центра позволяет функционально включать новые виды систем связи. Картографический департамент фирмы ГеоСпектрум” предлагает широкую номенклатуру электронных карт различных регионов России. Программное обеспечение диспетчерского центра реализуется как с помощью средств собственной ГИС “Панорама”, так и с помощью других ГИС. Разработанный модуль бортового компьютера может также использоваться в качестве автонавигатора: при подключении к нему стандартного автомобильного телевизора (фирм Alpine, Clarion) на экран выдается электронная карта, на которой отображается текущее положение автомашины, даются рекомендации по прокладке оптимального маршрута. К бортовому компьютеру могут подключаться аналоговые или контактные датчики, малогабаритная видеокамера.
Фирма “КОРД” разрабатывает бортовое оборудование и средства передачи данных совместно с фирмой TESLA. Навигационное оборудование, модем и радиостанция интегрированы в единый конструктивный блок. Имеется возможность подключения бортового терминала с дисплеем и клавиатурой. Собственный протокол передачи данных позволяет эффективно использовать радиочастотный спектр. Программное обеспечение диспетчерского центра работает как с векторными, так и с растровыми электронными картами.
Фирма “Юником” представляет систему “Юником–AVL” на основе бортового навигационного комплекса собственной разработки, подключаемого к стандартной УКВ радиостанции. Программное обеспечение диспетчерского центра позволяет отображать местоположение подвижного объекта на фоне электронной карты. Количество подвижных объектов в системе — до 255.
Искушенный читатель может заметить, что при описании бортовой аппаратуры автор нигде не указал такого параметра, как габаритные размеры аппаратуры. Это сделано сознательно, т.к. габариты бортового комплекса в целом зависят от габаритов применяемого оборудования связи. Непосредственно устройство, включающее в себя навигационный приемник, контроллер и модем, в зависимости от выполняемых дополнительных функций (работа с дисплеем, клавиатурой, другими внешними устройствами) может иметь габаритные размеры от 0,5 куб. дм до 2-5 куб. дм. Габариты стандартной автомобильной УКВ радиостанции составляют не менее 1 куб. дм.
Рассмотрим ряд проектов, которые представляют фирмы, являющиеся операторами систем связи общего пользования. Для этих фирм системы оперативного контроля подвижных объектов являются дополнительной услугой, расширяющей возможности сетей связи.
Фирма “Морсвязьспутник представляет в России интересы спутниковой системы связи “Инмарсат”. Предлагаемая система основана на терминалах спутниковой связи Инмарсат” Стандарт–С со встроенным приемником GPS. Программное обеспечение диспетчерского центра обеспечивает слежение за 256 объектами, находящимися в любой точке Земного шара от 80 градусов северной широты до 80 градусов южной широты. Период опроса объектов слежения 15 минут и более. Время получения информации на диспетчерском пункте (например, сигнала тревоги) 3–5 минут с момента передачи. Данное программное обеспечение может использоваться и в системе с использованием обычных каналов УКВ радиосвязи.
Центральный телеграф внедрил на территории г. Москвы радиопакетную сеть передачи данных общего пользования РАДИОТЕЛ на базе технологий фирм Racal и Sprint. Средства сети РАДИОТЕЛ представляют широкие возможности по созданию распределенных систем быстрого и надежного обмена данными в закрепленной и мобильной средах. Система диспетчеризации транспортных средств (СДТС) обеспечивает оперативное отслеживание маршрута движения транспортного средства, оснащенного терминалом сети с приемником GPS. С помощью радиосети возможен обмен данными между бортовым оборудованием и центральным компьютером, доступ к центральным базам данных, взаимодействие с аварийными службами и службами безопасности. Сеть РАДИОТЕЛ обеспечивает быстрое установление соединения (около 5 сек), имеет встроенные механизмы защиты данных, исправления ошибок. Центр коммутации пакетов сети обеспечивает поддержку протоколов Х.25, Х.75, Х.3/Х.28/Х.29, SNA/SDLC.
Группа компаний “Грант–Вымпел совместно с федеральной сетью “СОТЕЛ предлагает систему навигации и мониторинга автомобилей GrantGuard на основе сотовых телефонов стандарта NMT–450 “Московской сотовой связи”. Бортовой навигационный комплекс поставляется в нескольких вариантах комплектации. В минимальной комплектации используется специализированный навигационный вычислитель с модемом, подключаемый к сотовому телефону. Бортовой комплекс обеспечивает передачу в диспетчерский центр данных о местоположении автомобиля и его состояния (в зависимости от состава подключаемых датчиков), передачу сообщений о нештатных ситуациях (путем нажатия тревожной кнопки). Время коммутации канала с компьютером диспетчерского центра может достигать нескольких минут, но само время передачи данных не превышает 20 сек, благодаря чему вызов не тарифицируется в телефонной сети. При этом сохраняется возможность использования телефона для ведения речевых переговоров. В расширенной комплектации к навигационному вычислителю подключается портативный компьютер. Компьютер может работать в режиме “мобильный офис”, выполнять функции автонавигатора, обеспечивать доступ в информационные базы центра.
Компания “Мобильные телесистемы (МТС) является крупнейшим в России оператором сотовых систем стандарта GSM. Данным стандартом предусматриваются широкие возможности передачи данных — как по обычным трафиковым каналам, так и в режиме передачи коротких сообщений (SMS Service). Малые габариты абонентского оборудования GSM и высокая степень интегрированности его с современными цифровыми системами позволяют реализовать бортовой навигационный комплекс с высокими эксплуатационными характеристиками. Компания предлагает бортовое оборудование производства зарубежных фирм (система DUO фирмы GPP, оборудование фирмы Falcon), а также бортовой контроллер собственной разработки. Для передачи данных используется как трафиковый канал (при этом встроенный модем работает также как обычный телефонный модем со скоростью 9600), так и канал коротких сообщений. Время коммутации трафикового канала для передачи данных составляет 30-90 сек., время передачи короткого сообщения (до 160 байт) от одного абонента сети до другого (в том числе от мобильного к мобильному) составляет 5-10 сек.
Использование сотовых систем связи оправдано в случаях, когда необходимо снизить габариты бортовой аппаратуры, уровень собственных электромагнитных излучений (и соответственно потребляемую аппаратурой мощность от бортсети или автономного источника электропитания), а также когда нужно обеспечить большую площадь действия системы. С этой точки зрения сотовые системы перекрывают область действия систем ближнего действия (городские, региональные) и систем глобального действия (благодаря национальному и межнациональному роумингу). В то же время благодаря небольшим размерам и большой площади действия аппаратура на базе сотовых систем может успешно применяться в системах комплексной охраны автомашин VIP–класса как альтернатива системам, работающим на зоновых принципах (радиомаяковые системы типа Lo Jack и КОРЗ).
В заключение несколько слов о стоимости систем. Следует отметить, что относительно дешевой может быть только система с ограниченными возможностями: для оперативного слежения за ограниченным парком машин (до 30) на ограниченной территории (определяемой зоной действия радиостанции диспетчерского центра). Для такой системы можно сказать, что ее стоимость является простой суммой стоимости абонентского и центрового оборудования или линейно зависит от стоимости своих составных частей. Для более сложных систем зависимость стоимости системы от стоимости ее составляющих в течение полного цикла ее эксплуатации является нелинейной. Более дешевое бортовое оборудование и оборудование системы связи может впоследствии обернуться необходимостью вложить большие средства в получение или аренду ресурсов радиочастотного спектра, создание собственной инфраструктуры связи (сети базовых станций, ретрансляторов, каналов связи между базовыми станциями). В ряде случаев может оказаться выгодно оплачивать тарифы транкинговых или сотовых систем общего пользования, несмотря на кажущуюся их дороговизну. Маркетинговые исследования некоторых зарубежных фирм в отношении стоимости оборудования и оплаты услуг пользователей систем (например, владельцев дорогих автомобилей или перевозчиков грузов) показывают, что общие расходы абонентов систем не должны превышать 4-5% от стоимости их имущества. Российские производители систем местоопределения оценивают стоимость бортового оборудования для диспетчерских систем и систем обеспечения безопасности автомобиля в диапазоне от 1000 до 2000 долларов. При этом стоимость программного обеспечения диспетчерского центра с электронной картой может варьироваться в пределах от 2000 до 50000 долларов (в зависимости от выполняемых функций, числа объектов контроля, используемой системы связи). Стоимость оплаты аренды каналов связи или оплаты услуг сетей связи общего пользования составляет от $50 до 200 в месяц для одного транспортного средства.