К информационно-навигационные системы управления подвижными единицами

5.1. НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СИСТЕМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ И СВЯЗИ

В последнее время в России наблюдается рост спроса на АС, объединяющие современные навигационные системы с системами мобильной связи для решения различных прикладных задач. Ярким примером такой интеграции являются системы управления транспортным парком предприятия с возможностью организации связи с подвижными единицами и автоматическим отслеживанием и отображением их текущих координат в пространстве. На Западе системы определения местоположения (ОМП) активно используются для контроля за местоположением и состоянием автотранспорта специального назначения: патрульных автомобилей полиции, карет скорой помощи, автомобилей служб инкассации и т.д. В России также есть небольшой опыт эксплуатации комплексов автоматизированного слежения у некоторых банков и служб МЧС.

Создание и использование таких систем не мысленно без надежных средств связи диспетчера с ТС и постоянного контроля за их движением. Средства УКВ-радиосвязи действуют лишь на очень небольших расстояниях (десятки километров). Попытки создания сети ретрансляторов в УКВ-диапазоне наталкиваются на значительные технические и финансовые трудности, так как это требует значительных единовременных и эксплуатационных затрат.

Средства КВ-диапазона в принципе обеспечивают связь на больших расстояниях, однако эта связь крайне нестабильна и возможна лишь в определенные периоды суток. К тому же оборудование и антенны КВ-радиосвязи достаточно громоздки, а более совершенные образцы достаточно дороги. Сотовая связь даже в Западной Европе не охватывает всю территорию, а в России и странах СНГ — охватывает лишь отдельные крупные города и участки дорог. Спутниковые системы связи (ССС), безусловно, в наибольшей степени отвечают потребностям транспортников.

В спутниковых системах связь с ТС осуществляется непосредственно через спутник, поэтому зона связи чрезвычайно широка. Так, система «Евтелтракс» охватывает зону от Северного Ледовитого океана до Африки и от Атлантики до Урала. С 2000 г. зона ее I действия расширилась на восток и в перспективе охватит практически всю Сибирь. В эксплуатации системы, подобные «Евтелтракс» надежны, просты в обращении и удобны. Связь с ТС и наблюдение за его движением осуществляются непосредственно в офисе транс­портной компании или в диспетчерской службе ДТП. При этом необходимо соблюдение целого ряда требований.

1.Надежность доставки сообщений. ТС периодиче­ски оказываются в условиях, когда связь со спутником отсутствует (в туннеле, в железобетонном ангаре, под мостом, в металличес­ком пароме), или бывают просто загорожены близко расположен­ными высокими строениями. Для надежной доставки сообщений,
переданных в такие моменты, в системе предусмотрены подтвер­ждения о доставке. Если подтверждения нет, система автоматичес­ки, без вмешательства оператора, повторяет его. Когда сообщение будет доставлено, диспетчер получит об этом уведомление с ука­занием времени и места доставки (с точностью около 100 м). Кро­ме того, диспетчер получает уведомление о том, что сообщение прочтено, также с указанием точного времени и места прочтения.

2.Регулярное автоматическое определение ме­стоположения ТС. ОМП ТС только по запросу диспетчера за­трудняет его работу и не позволяет прослеживать график движе­ния. Кроме того, при каких-то чрезвычайных ситуациях последнее известное диспетчеру местоположение ТС может оказаться очень
далеко от района происшествия. Чтобы диспетчер мог постоянно иметь актуальную информацию о местонахождении и движении ТС, в системе должно быть предусмотрено автоматическое опре­деление их местоположения. Оно производится, как правило, еже­часно, а также с каждым сообщением, подтверждением о получе­нии и прочтении сообщения, при каждом выключении двигателя
Все данные автоматически вводятся в компьютер и представляют­ся как в табличной форме, так и непосредственно на электронной карте в компьютере диспетчера.

3. Автоматическое получение и хранение информации. Компьютер принимает и хранит всю поступающую информацию даже в отсутствие диспетчера. Кроме того, в системе используется принцип электронного почтового ящика. Если ком­пьютер диспетчера выключен, информация не пропадает, а хра­нится в центральном компьютере системы. Когда диспетчер вклю­чит свой компьютер, он получит всю информацию.

4. Малое потребление энергии. ПС автотранспорта имеет ограниченные возможности электропитания, поэтому сис­тема должна быть экономична. Мобильный связной терминал (МСТ) системы использует остронаправленную антенну, посто­янно следящую за спутником, обеспечивающую надежную связь при небольшой мощности излучения, что позволяет при низком уровне энергопотребления длительное время работать от аккуму­лятора. Это обстоятельство особенно важно для автомашин, которые во время рейса могут иметь немало длительных остановок с выключенным двигателем. Чтобы еще более увеличить возможное время работы от аккумулятора, в системе «Евтелтракс» предусмотрен особо экономичный режим, в который автоматически переходит МСТ при выключении зажигания. Режим позволяет не менее 3 суток поддерживать связь при выключенном двигателе без риска разрядить аккумулятор. Этот режим используется не только на ПС, но и в других случаях, когда питание возможно только от
аккумулятора (например, для отслеживания контейнеров).

6.Низкая стоимость. Спутниковая связь — наиболее совершенный вид связи, однако она относительно дорога. Максимально удешевить связь можно с помощью выбора архитектуры системы. Например, в «Евтелтраксе» на диспетчерском пункте не нужны никакие передатчики или приемники (только ПК и недорогой модем), а на ТЕ не требуется приемник системы определения местоположения GPS, так как оно определяется Центральной наземной станцией, а значит, не требуется передавать эти данные по спутниковым каналам. Существенно уменьшает расходы использование не голосовой, а текстовой связи. Для дополнительного снижения расходов в системе предусмотрена возможность использования так называемых макросов, т.е. стандартных сообщений (типа бланка).

7.Конфиденциальность связи. Высокая конфиденциальность связи достигается за счет использования широкополосных шумоподобных сигналов ниже уровня естественных шумов, что в сочетании с остронаправленными антеннами делает перехват таких сигналов крайне трудной задачей. Каждый МСТ имеет индивидуальный кол, и сообщение получает только тот МСТ, которому оно адресовано. Передаваемые сигналы закодированы, применяется система защиты паролем. Так как связь текстовая, система позволяет накладывать любые внешние шифры. Само посторонние системы, наличие индивидуальных кодов у МСТ, особого кода и пароля в ЛС исключают возможность для любого постороннего абонента проникнуть в эту сеть, перехватить какую-либо информацию или послать свое сообщение на какое-либо транспортное средство.

7. Наличие текстовой связи. Использование в системе текстовой связи наряду с обеспечением конфиденциальности и минимальной стоимости имеет и другие преимущества: документированность повышает ответственность персонала. Передача текстового сообщения не требует обязательного наличия абонента на  приемном конце в момент передачи, из-за чего иногда возникают трудности при голосовой связи. Краткие информативные текстовые сообщения (особенно стандартные — макросы) экономят время диспетчера на получение нужной информации и расходы на телефонные разговоры.

8. Дистанционный контроль параметров. Дополни­тельно МСТ могут оснащаться системами телеметрии в несколь­ких вариантах комплектации для контроля различных параметров транспортных средств и грузов (температура в рефрижераторах, расход горючего, несанкционированное вскрытие и т.д.).

9. Сигнал тревоги в чрезвычайной ситуации (ЧС). При возникновении на транспортном средстве ЧС, когда срочно требуется помощь (авария, нападение, внезапная болезнь), одним нажатием кнопки может быть послан сигнал тревоги, сопровождаемый указанием местонахождения терпящего бедствие. Этот сигнал дополнительно дублируется по «горячей» линии Центра системы.

В АТП и компаниях, где используются системы типа «Евтелтракс», эффективность использования ПС возрастает на 15 — 20 %. Такие результаты обеспечивают, прежде всего, следующие факторы:

• оптимальное планирование, основанное на имеющихся фрахтах, точном знании местонахождения и сроков прибытия автома­шин;

• возможность оперативного управления автомашинами в рейсе в соответствии с меняющейся обстановкой, в том числе их пере­адресация и постановка новых задач;

• сокращение времени кругорейса за счет:

а) оптимального управления движением ТС (уведомление гру­зоотправителя/грузополучателя о точном времени прибытия авто­мобиля, что значительно сокращает простой при загрузке/выгрузке, заблаговременный заказ по ходу движения диспетчером других ТС и сервисных услуг, оптимизация маршрута с учетом сведений о дорожной обстановке, помощь в поиске клиента и т.д.);

б) своевременной помощи водителю при возникновении у него затруднений в контактах с грузоотправителем/грузополучателем, на погранпереходах, при поломках, авариях, различных конфликт­ных ситуациях;

в) отсутствия необходимости сворачивать с трассы и искать те­лефон для связи с диспетчером, простоев на ожидание ответа;

г) исключения несанкционированных простоев и изменений маршрута;

д) возможности для диспетчера связаться с водителем в любое время;

•получение большего числа фрахтов, более высокая оплата, так как многие грузоотправители предпочитают доверить груз той фирме, машины которой оснащены спутниковой системой, по­зволяющей контролировать движение груза (особенно при отправке ценных или опасных грузов), при этом они готовы повысить опла­ту фрахта;

•возможность работать на условиях доставки точно в срок, ког­да ставки за фрахт значительно выше, но за несвоевременную подачу машин накладываются большие штрафы. Система позволяет контролировать процесс перевозки и при возникновении непредвиденных ситуаций использовать резервы;

• возможность работать с перецепкой, используя импортные тягачи и наиболее опытных водителей для работы за рубежом, а остальной парк — для доставки грузов от границы. С помощью •системы обеспечивается необходимая для такой работы координация работы парка ПС;

•экономия горючего и моторесурсов за счет сокращения холостого пробега и пробега с неполной нагрузкой, неоптимальных решений, принимаемых водителем самостоятельно при недостаточной информированности, съездов с трассы для телефонных разговоров, а также экономия средств, затрачиваемых на сами международные телефонные переговоры;

•возможное снижение страховых взносов, так как постоянный контроль за движением автопоездов существенно снижает риск страховщика.

Это лишь основные факторы. Имеется и множество других, которые позволяют добиться впечатляющих результатов. Опыт работы как зарубежных, так и российских транспортных предприятий показывает, что в современных условиях средства, вложенные в систему связи и управления, приносят прибыли больше, чем средства, вкладываемые в наращивание количества ПС без таких систем.

К современным средствам координатно-временного определения различных объектов, в том числе ТС, относятся системы спутникового позиционирования. Спутниковое позиционирование — метод определения координат объекта в трехмерном пространстве с I использованием спутниковых систем. Особенно важной особенностью данных систем является их интеграция с геоинформационными системами (ГИС).

Автомобиль, оснащенный таким приемником, перемещаясь по местности, автоматически фиксирует свои координаты. Может быть осуществлен ввод дополнительной информации. Данные накапливаются в цифровом виде в соответствующих форматах и могут быть выведены на экран в целях визуализации и контроля.

К первому поколению спутниковых систем ОМП можно отнести системы, которые разрабатывались до 1970-х годов и использовались более двух десятилетий: NNSS (США), ЦИКАДА (СССР). I NNSS (Navy Navigation Satellite System) первоначально предназначалась для ВМФ США. Позже система получила название TRANSIT; в эксплуатации с 1964 г., в 1967 г. открыта для гражданского коммерческого использования. В 1970-х годах появились сравнительно малогабаритные приемники GEOCEIVER, позволившие определять координаты с дециметровой точностью. К 1980 г. многие тысячи потребителей разных государств мира пользовались услугами этой системы.

Ко второму поколению относятся две системы: GPS (США) и ГЛОНАСС (РФ). GPS (Global Positioning System) имеет параллельное название NAVSTAR (Navigation Satellite Timing and Ranging) Запуск спутников первого блока начат в 1978 г. ГЛОНАСС расшифровывается как Глобальная навигационная спутниковая сис­тема. Уже работают приемные устройства, одновременно использующие и GPS, и ГЛОНАСС.

Орбитальные группировки GPS и ГЛОНАСС состоят из 24 кос­мических аппаратов (КА). КА в GPS расположены в шести, а ГЛО НАСС — в трех плоскостях, развернутых соответственно через 60 и через 120°.

Для передачи данных несущий сигнал модулируется по фазе, частоте или амплитуде. Соответственно модуляция называется фазовой, частотной или амплитудной (ФМ, ЧМ или AM).

В ГЛОНАСС и GPS имеет место особый способ ФМ - манипу­ляция фазы: в момент смены в коде 0 на 1 или 1 на 0 фаза несуще­го колебания изменяется на 180°.

В 1970-х годах стали развиваться методы измерения дальностей с использованием радиоимпульсов с начальными фазами 0 и π, интерпретируемых как 0 и 1. Закономерное чередование нулей и единиц образует код. Кодовые сигналы воспринимаются как слу­чайный шум. Поэтому их называют псевдослучайными последовательностями (ПСП) или псевдослучайными кодами (Pscudo Random Code). Они обладают малой мощностью, однако благода­ря строгой закономерности построения их удается выделить из общего шумового фона даже при помощи миниатюрных антенн. Тем не менее сигналы должны в несколько раз превышать уровень шума. Важным показателем является отношение сигнал/шум — SNK (Signal to Noise Ratio). Чем SNR больше, тем лучше.

Поток сообщений каждого спутника состоит из 25 блоков по 1500 бит. Каждый блок разбит на 5 подблоков по 300 бит. Наиболее важные сведения потока сообщений обычно обновляют через каж­дые четыре часа. В GPS все спутники работают на одних и тех же частотах, но каждый имеет свой код (разделение сигналов кодовое).

В ГЛОНАСС все сигналы модулированы одними и теми же ко­дами высоко» точности (ВТ) или стандартной точности (СТ). Каж­дый спутник работает на собственных частотах (т.е. разделение сиг­налов частотное).

На спутниках эталонные генераторы высокостабильных коле­баний одновременно являются хранителями времени. На борту каждого КА сигналы формируются от четырех цезиевых атомных стандартов с относительной нестабильностью частоты около 10 ^-13 в сутки. Передаваемые радиосигналы несут метки времени. По этим меткам на Земле при помощи станций службы времени произво­дится сверка временных шкал с государственными эталонами. По ним же синхронизируют измерения и в аппаратуре пользователей.