Применение методов спутниковой радионавигации для создания систем и комплексов технических средств местоопределения подвижных объектов..
Петров Николай Николаевич, кандидат технических наук
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ СПУТНИКОВОЙ РАДИОНАВИГАЦИИ
ДЛЯ СОЗДАНИЯ СИСТЕМ И КОМПЛЕКСОВ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ МЕСТООПРЕДЕЛЕНИЯ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ.
Источник: журнал «Специальная Техника»
Применение методов спутниковой радионавигации для создания систем и комплексов технических средств местоопределения подвижных объектов
Это вторая из серии статей, посвященных применению систем местоопределения автомашин для решения задач обеспечения безопасности личности, материальных ценностей, имущества. В данной статье предпринята попытка найти место наиболее широко применяемых методов местоопределения — методов на основе спутниковой радионавигации — в общей системе обеспечения безопасности. Выводы, сделанные в данной статье, и подходы к решению некоторых проблем являются общими и для других методов местоопределения.
Как отмечалось в первой статье о системах и комплексах местоопределения подвижных объектов, напечатанной в третьем номере журнала, методы местоопределения на основе аппаратуры спутниковой радионавигации позволяют реализовать наиболее широкий спектр систем и отдельных видов аппаратуры автоматизированного определения местоположения транспортных средств (AVL систем). Среди этих систем, ориентированных на решение задач комплексного обеспечения безопасности личности, материальных ценностей и имущества, следует выделить:
• Диспетчерские системы для контроля и управления передвижением автомашин из ограниченного парка на территории города.
• Системы контроля передвижения транспорта или груза на неограниченной территории в реальном времени.
• Системы контроля передвижения транспорта или груза на неограниченной территории с последующей обработкой данных.
• Системы поиска угнанных автомашин.
Отдельной позицией стоят бурно развивающиеся в последнее время так называемые автонавигаторы — устройства, помогающие водителю ориентироваться в незнакомой местности. Косвенно автонавигаторы также можно отнести к системам обеспечения безопасности, однако в настоящей статье мы не будем рассматривать подобные устройства.
Прежде чем производить обзор конкретных систем и отдельных видов аппаратуры, попытаемся с позиций конечного пользователя выделить основные отличительные особенности систем местоопределения и указать их место в общей системе обеспечения безопасности. Для этого применим популярный сейчас в технической литературе метод разрешения проблемных ситуаций, когда пользователь задает вопрос, а разработчик пытается найти наиболее полное и простое решение возникающей проблемы. Итак…
1 Пользователь — руководитель фирмы, осуществляющей междугородные перевозки грузов. Имеется парк большегрузных магистральных грузовиков от нескольких единиц до многих десятков. Часть грузов имеет значительную ценность, потеря или порча груза могут принести непоправимый ущерб как материальному благополучию фирмы, так и ее имиджу. Известно, что криминогенная обстановка на наших, да и на многих европейских дорогах оставляет желать лучшего. К сожалению, собственные недобросовестные водители также пользуются этим обстоятельством, и где гарантия, что они не пустят товар “налево”, свалив вину при этом на некие безвестные “криминальные элементы”.
Вопрос: Можно ли предложить средство контроля за маршрутом автомашины, чтобы попытаться вовремя принять меры к возврату груза или хотя бы выявить не вполне добросовестных водителей?
Ответ: Да, такие средства имеются. Достаточно оснастить автомашину, которая перевозит особо ценный груз, специальной аппаратурой, а в диспетчерской гаража поставить компьютер с электронной картой, на которой будет отображаться текущее местоположение автомашины.
В состав бортовой аппаратуры входят:
• навигационный приемник, осуществляющий прием сигналов от навигационных спутников глобальной спутниковой радионавигационной системы (американской GPS NAVSTAR или российской ГЛОНАСС) и вычисляющий свои координаты;
• какое-либо средство глобальной радиосвязи (в настоящее время реально могут использоваться аппараты спутниковых систем связи INMARSAT, EutelTracs, в ближайшее время начнет функционировать система IRIDIUM, с развитием систем сотовой телефонной связи большую площадь покрытия, особенно в Европе и вдоль важнейших трасс России, можно получить при использовании систем стандарта GSM);
• бортовой компьютер, осуществляющий управление работой навигационного приемника и аппаратуры связи.
Стоимость подобного бортового оборудования может составлять от 2 до 10 тысяч долларов.
Бортовой компьютер анализирует текущие координаты автомашины и по заложенному в него алгоритму передает данные о местоположении контролируемого транспортного средства через систему глобальной связи в диспетчерскую.
Алгоритм работы бортового компьютера во многом зависит от важности перевозимого груза. Если для полного собственного спокойствия не жалко никаких денег, можно получать информацию раз в несколько минут, выкладывая за каждое сообщение по доллару, а то и несколько долларов. Гораздо разумнее максимально сократить число передаваемых сообщений и включать аппаратуру связи только в тех ситуациях, когда действительно возникает угроза автомашине. Такими ситуациями могут быть включение водителем тревожной сигнализации, существенное отклонение автомашины от маршрута, заложенного в бортовой компьютер, длительная незапланированная стоянка автомашины, срабатывание различных датчиков: датчика опрокидывания, шок-сенсора, датчика блокировки дверей контейнера и т.п.
Такой вариант позволяет постоянно (или в тревожных ситуациях) иметь информацию о местонахождении автомашины и состоянии груза. Другой вопрос, что может дать обладание этой информацией? Сможете ли Вы, получив тревожный сигнал, оперативно связаться с силами обеспечения правопорядка (дорожной полиции) — хорошо, если в России, а если где-то за границей? — и уговорить их принять меры по спасению Вашего груза?
С гораздо меньшими затратами можно осуществить контроль добросовестности (или благонадежности) водителей. В этом случае из состава бортового оборудования можно исключить аппаратуру связи (какой смысл оперативно получать информацию о ситуации, если нет возможности воздействия на нее?), что позволит снизить верхнюю границу стоимости оборудования до нижней планки (т.е. до 2 — 3 тыс. долларов). Бортовой компьютер производит фиксацию и долговременное хранение всей информации по пути следования автомашины (координаты точек маршрута, место и продолжительность стоянок, факты включения-выключения двигателя, открытия дверей контейнера, а также, например, расход горючего, температуру изотермического или холодильного контейнера и т.п.).
При возвращении автомашины из рейса накопленная информация снимается из бортового компьютера и анализируется специальной программой на компьютере диспетчера. Определяются факты отклонения от заданного маршрута, несанкционированного воздействия на груз. Полученная информация может оказаться полезной и для последующего планирования маршрутов, для решения споров о возможной порче груза с его владельцем (в случае, например, контроля температурного режима контейнера). Данный метод контроля, особенно при возможности применения его скрытно от водителя, позволяет значительно дисциплинировать обслуживающий персонал, избавиться от недобросовестных водителей.
Какими еще качествами должна обладать бортовая аппаратура контроля маршрутов автомашины? Во-первых, необходимо решить вопрос защиты аппаратуры от воздействия извне, в том числе и от самих водителей. Как минимум, аппаратура должна фиксировать факты отключения ее от бортовой сети автомашины, факты воздействия на приемную антенну навигационного приемника или антенну системы связи (попытка накрыть антенну радионепрозрачным материалом, оторвать от кабеля). В идеальном случае аппаратура должна быть полностью интегрирована с электронным оборудованием автомашины таким образом, что вывод ее из строя приводил бы к невозможности дальнейшего движения автомобиля.
2 Пользователь — руководитель фирмы, осуществляющей охрану материальных ценностей или личностей, перевозимых с использованием специально оборудованных автомашин из ограниченного автопарка. Передвижение автомашин осуществляется на ограниченной территории (крупный город с ближайшими пригородами). Территория характеризуется наличием достаточно развитой инфраструктуры: оперативной радиосвязи, сотовой связи. На территории города действуют наряды милиции, имеется возможность задействования оперативных подвижных групп охраны порядка (в том числе и собственных).
Вопрос: Каким образом обеспечить оперативный контроль за передвижением и состоянием контролируемых автомашин, а также в случае возникновения чрезвычайной ситуации определить варианты оптимального воздействия на нее (найти ближайшие по расположению оперативные подвижные группы, дать им целеуказание, возможно, определить пути следования)?
Ответ: Описанная ситуация представляет собой классический вариант диспетчерской системы обеспечения безопасности подвижных объектов. Это наиболее емкая, область применения систем местоопределения (более емкой можно считать только задачу управления движением общественного транспорта).
Рассмотрим структуру и функциональные особенности подобной системы, реализованной с применением методов спутниковой радионавигации.
Система имеет общую структуру, описанную в предыдущей статье, и состоит из подсистемы определения местоположения подвижных объектов, подсистемы передачи данных и подсистемы управления и обработки данных (диспетчерского центра).
Подсистема определения местоположения подвижных объектов построена на базе навигационных приемников спутниковых радионавигационных систем GPS NAVSTAR или ГЛОНАСС. В качестве подсистемы передачи данных целесообразно использовать какую-либо систему подвижной УКВ-радиосвязи на базе линейных, транкинговых или сотовых систем связи, совмещенных с системами голосовой связи или специально спроектированных для передачи данных. Подсистема управления и обработки данных строится на базе компьютерной сети. В сети обычно выделяются коммуникационный сервер, обеспечивающий обмен данными между диспетчерским центром и закрепленными за ним подвижными объектами, оснащенными соответствующей аппаратурой; информационно-управляющий сервер, обеспечивающий ведение баз данных подвижных объектов, анализ оперативных ситуаций, выработку алгоритмов управления и т.п.; рабочие места диспетчеров, обеспечивающие организацию работы диспетчеров системы по мониторингу закрепленных за ним подвижных объектов с использованием геоинформационных технологий. В простейшем случае все эти функции могут быть возложены на один компьютер, являющийся в то же время и рабочим местом диспетчера.
Рассмотрим вопросы, на которые необходимо обратить внимание при выборе конкретной системы.
Бортовое оборудование подсистемы определения местоположения и подсистемы передачи данных, как правило, объединяются в один блок, в англоязычной литературе носящий название Mobile Logic Unit (MLU — бортовое управляющее устройство). Как правило, MLU проектируется с расчетом на применение конкретной подсистемы передачи данных. И тут возникает масса проблем, поскольку в настоящее время практически невозможно рекомендовать структуру подсистемы передачи данных, позволяющую удовлетворить функциональные запросы всех пользователей. Наиболее сложные проблемы — эффективное использование (или экономия) радиочастотного спектра, который, как правило, приходится делить с системами оперативной голосовой связи; минимизация габаритов и энергопотребления бортовой аппаратуры (что особенно актуально в случае камуфлированного размещения оборудования на автомашине при необходимости использования радиосредств, работающих с большой мощностью передачи); обеспечение требуемого радиопокрытия территории при заданном времени доставки информации от подвижного объекта в диспетчерский центр (и обратно); защита информации в радиосетях от возможного несанкционированного использования.
Проще всего решаются вопросы построения подсистемы передачи данных на территории небольшого населенного пункта, для которого можно обеспечить радиопокрытие всей территории с помощью одного радиоцентра, расположенного непосредственно в помещении диспетчерского центра. В этом случае возможно выделение одного или нескольких каналов связи для передачи данных (радиосредства работают на фиксированных частотах — “линейных” каналах). Функции MLU в данном случае заключаются в модулировании/демодулировании данных и управлении режимом прием/передача обычной УКВ радиостанции. MLU различных фирм различаются видами модуляции, применяемыми методами кодирования данных и защиты от ошибок. Как правило, при использовании обычных УКВ радиостанций, предназначенных для передачи речи, можно ожидать скорости передачи данных 1200-2400 бит/с. Подобные системы характеризуются минимальным временем доставки информации в диспетчерский центр. Реально это приводит к тому, что с использованием одного симплексного канала связи можно построить диспетчерскую систему в составе 10-100 автомашин.
Для обеспечения радиопокрытия территории больших городов необходимо использовать системы ретрансляторов. В простейшем виде это может быть система, аналогичная широко используемым в некоторых западных странах радиосетям любительской пакетной передачи данных общего пользования. Такая сеть строится на базе простейших ретрансляторов передачи данных (называемых также диджипитерами — “повторителями данных”), в состав которых входит приемо-передатчик любительского УКВ-диапазона (например, 144 или 430 Мгц) и радиомодем стандарта TNC-2, обеспечивающий формирование и передачу пакетов по протоколу АХ-25 (модификация широко известного протокола Х-25 для работы в радиосетях). За простоту подобного решения приходится расплачиваться достаточно большим временем доставки информации в центр по цепочке диджипитеров, весьма низким коэффициентом использования выделенного радиоспектра и абсолютной незащищенностью системы от внедрения “чужих” пользователей (ведь в основе лежат решения, применяемые именно для сетей общего пользования!).
Более серьезные системы можно построить на базе транкинговых сетей радиосвязи. Вопросы построения таких сетей, их возможности с точки зрения передачи данных достаточно подробно рассмотрены в различной литературе. Правда, существующие в настоящее время аналоговые системы транкинговой связи предназначены в первую очередь для обеспечения голосовой связи (а в России, кроме того, рассматриваются как более дешевый заменитель сотовой связи), поэтому передача больших объемов данных в этих сетях может оказаться неэффективной. Более перспективны в этом отношении новейшие цифровые транкинговые системы. Вероятно, только с внедрением цифровых систем можно будет опровергнуть мнение некоторых специалистов, что попытка объединить в одной радиосети голос и данные приводит к значительному ухудшению качества голосовой связи, не приводя при этом к достижению требуемых параметров передачи данных.
Вопрос создания специальных радиосетей передачи данных чаще приходится решать скорее с экономической, чем с технической точки зрения. Известны хорошие технические решения, предлагаемые некоторыми фирмами. Весьма эффективна, например, система DataTAC фирмы Motorola. Однако для разворачивания подобных систем требуются значительные капиталовложения, а окупиться они могут только при высокой загрузке систем. Система DataTAC на 10-12 выделенных каналах связи могла бы обеспечить построение подсистем передачи данных для большого числа диспетчерских систем обеспечения безопасности подвижных объектов в Москве.
В ситуации отсутствия реальной возможности создания специальной системы передачи данных с использованием каналов УКВ-радиосвязи очень заманчивой выглядит перспектива применения сотовых систем телефонной связи. Основное преимущество сотовых систем связи — наличие развитой инфраструктуры, обеспечивающей очень хорошее радиопокрытие на территории города и вдоль основных трасс при использовании абонентской радиопередающей аппаратуры малой мощности. Возможности межрегионального и межгосударственного роуминга позволяют строить системы с глобальным покрытием. Как и в случае транкинговых систем УКВ-радиосвязи, наибольшее преимущество могут дать цифровые системы сотовой связи. Применение аналоговых систем приводит к существенному возрастанию времени передачи данных (в первую очередь за счет большого времени установления соединения абонентских аппаратов) или неоправданному росту стоимости передачи данных. В то же время возможности сотовых сетей стандарта GSM предусматривают такую услугу, как передача коротких сообщений. Передача коротких сообщений (140-160 байт информации) осуществляется по более низким тарифам по служебным каналам сети, не оказывая существенного влияния на качество голосовой связи. Производительность сервисного центра коротких сообщений может достигать нескольких сотен сообщений в секунду при времени доставки информации от одного абонента к другому от нескольких секунд до полуминуты. Это вполне приемлемые показатели для большинства диспетчерских систем обеспечения безопасности подвижных объектов.
Основой аппаратного обеспечения подсистемы управления и обработки данных обычно является локальная сеть персональных компьютеров и серверов. Структура коммуникационного сервера тесно связана со структурой подсистемы передачи данных. Для информационно-управляющего сервера и рабочих мест диспетчеров можно выделить некоторые характерные признаки, свойственные любой диспетчерской системе. Рабочее место диспетчера представляет собой электронную карту территории, на которой отображается местоположение закрепленных за диспетчером автомашин и вспомогательная информация. Программное обеспечение должно максимально облегчать работу диспетчера, снимая с него рутинные операции непосредственного слежения за автомашинами. Алгоритмы диспетчеризации и отображения информации должны обеспечивать многооконный интерфейс для слежения за несколькими объектами, а также возможность активизации режима слежения за конкретным объектом при возникновении исключительной ситуации, определяемой информационно-управляющим сервером (тревога на борту, срабатывание датчиков, отклонение от маршрута и т.п.). При возникновении тревожной ситуации должны предлагаться варианты реагирования на основе анализа расположения ближайших сил реагирования (расположение постов милиции, оперативных подвижных групп в движении или на базах и т.п.), а также варианты доведения управляющей информации до сил реагирования. Важнейшей функцией информационно-управляющего сервера можно считать функцию обеспечения экономии (или эффективного использования) выделенного радиочастотного спектра в случае применения линейных систем связи или графика в случае применения систем общего пользования. Экономия может достигаться за счет использования адаптивных алгоритмов обмена информацией с бортовым оборудованием (изменение частоты получения информации о местоположения в зависимости от важности объекта слежения, от скорости его движения, групповые синхронизированные запросы, запросы с указанием границ области пребывания объекта и т.п.).
3 Пользователь — руководитель подразделения охраны общественного порядка или службы спасения, оперативные подвижные силы которого осуществляют свою работу на территории крупного города.
Вопрос: Каким образом обеспечить постоянный контроль за местонахождением оперативных нарядов, чтобы при возникновении критической ситуации определить ближайшие к этому месту наряды и дать им целеуказание?
Ответ: В целом Ваши проблемы могут быть решены теми же средствами, что и для предыдущего пользователя. Часть функций диспетчерской системы обеспечения безопасности подвижных объектов направлена именно на определение местонахождения подвижных сил реагирования и доведения до них управляющих воздействий. Вероятно, наибольшее внимание следует обратить на обеспечение защиты информации, курсирующей в подсистеме передачи данных, от несанкционированного использования, а также на повышение надежности функционирования этой подсистемы за счет дублирования каналов связи или даже применения нескольких параллельных подсистем. В этом случае возрастают требования к “интеллектуальным” возможностям бортового оборудования системы: бортовой компьютер должен определять ситуации нарушения работы подсистем передачи данных и иметь возможность активного воздействия на эту подсистему.
4 Пользователь — руководитель страховой компании, осуществляющей страховку владельцев дорогих автомашин на случай угона.
Вопрос: Можно ли предложить средство определения местонахождения угнанной автомашины, если с момента угона прошло некоторое время?
Ответ: При наличии на территории Вашего города функционирующей диспетчерской системы обеспечения безопасности подвижных объектов (см. вопрос 2 Пользователя) можно рекомендовать Вашим клиентам оснастить автомашины бортовым оборудованием такой системы. Включение режима передачи данных о местоположении автомашины возможно как при срабатывании датчиков охранной сигнализации автомашины, так и дистанционно при поступлении от владельца сигнала об угоне автомашины. Возврат автомашины могут осуществлять те же подразделения, которые обеспечивают безопасность других автомашин своей системы.
Бортовое оборудование в данном случае должно быть выполнено с соблюдением некоторых требований, общих для всех систем защиты автомашин от угона. Необходимо обеспечить минимальные габариты аппаратуры, камуфлировано разместить его на автомашине, обеспечить автономным питанием на случай отключения бортсети автомашины. Наибольшие возможности при этом могут предоставить системы, действующие на основе сотовых сетей, поскольку при этом может быть минимизировано энергопотребление бортовой аппаратуры в режиме передачи данных.
Заключение
В настоящей статье рассмотрены далеко не все варианты применения спутниковых систем местоопределения для обеспечения безопасности. Однако предложенный подход и описанные примеры могут стать основой для специалистов при анализе конкретной ситуации, выборе методов организации системы. В следующей статье будут рассмотрены конкретные способы реализации систем, проанализированы их положительные и отрицательные стороны с точки зрения возможного использования для целей обеспечения безопасности.