Современные системы навигации и слежения за наземными транспортными средствами на базе спутниковых технологий

А.Б.Внуков, генеральный директор ООО «Геопарк»

Автомобильные навигационные системы в настоящее время представляют достаточно совершенные в техническом отношении устройства, которые существенно повышают безопасность и комфортность движения. Несмотря на успехи в создании систем навигации и связи для транспорта, рынок таких систем в России можно рассматривать как зарождающийся. Целью предлагаемой статьи является информирование читателей о принципах построения и состоянии разработок и применения навигационно-связных систем в России. Мы надеемся, что приведенный материал даст дополнительную информацию потенциальным пользователям систем слежения для транспортных средств.

Принципы построения систем навигации и слежения за наземными транспортными средствами

Знание своего местоположения всегда было необходимым условием любой деятельности человека, связанной с перемещением (доставкой) грузов, путешествиями, военными действиями. Из этих потребностей и выросла наука «навигация» и появились различные навигационные приборы и средства - секстан, компас, карта и др. При этом самые совершенные и технически сложные средства навигации наибольшее распространение имели на море и в авиации. Наземным путникам в основном были доступны карты, компасы, а также одометры.

По мере развития новых средств навигации - инерциаль-ных, 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 же 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. Не менее важна для транспортных предприятий и 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 также 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) методы;

-    одометрические методы (методы счисления пути);

-    инерциальные методы;

-    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 воплощают в себя последние достижения науки и техники и имеют глобальную зону действия, обеспечивают оперативность и высокую точность определения координат непосредственно на транспортном средстве. В космических навигационных системах в качестве ориентиров выступают космические аппараты, относительно которых с помощью специальной навигационной аппаратуры проводятся измерения навигационных параметров.

Наибольшее применение получили космические навигационные системы GPS (США) и ГЛОНАСС (РФ). В настоящее время готовится к развертыванию и европейская космическая навигационная система GALLILEO. Системы ГЛОНАСС и GPS обеспечивают бесплатную глобальную всепогодную круглосуточную навигацию. Каждая из систем включает в себя орбитальную группировку (созвездие) навигационных спутников с высотой орбиты около 20 тыс. км. В отличие от системы GPS, имеющей полную орбитальную группировку (24 спутника), 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 местоопределения обычных приемников любой из систем составляет 10-30 м. 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 Euteltracs, 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 также вычисляют оптимальные маршруты и используют упрощенную графику и/или синтезатор голоса, чтобы обеспечить выдачу подсказок в реальном масштабе времени, постепенно выдавая необходимые команды управления для достижения адресата.

Структура и состав систем слежения

На основе систем определения местоположения транспортных средств строятся системы слежения (мониторинга). Для этого навигационные данные от автомобильной навигационной системы передаются по каналу связи в диспетчерский центр в реальном масштабе времени или после завершения рейса. Полученные данные в диспетчерском центре 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 (в англоязычной аббревиатуре AVL - Automatic Vehicle Location Systems). В AVL системах на основе спутниковых технологий на транспортном средстве устанавливается бортовой комплект в составе - навигационного приемника GPS (ГЛОНАСС, GALLILEO), блока управления (контроллера), модема, средства связи и передачи данных (в простейшем случае, радиостанции).

Полученные от спутникового навигационного приемника данные о текущих значениях 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.

В центре слежения (диспетчерском центре) высокоточная информация о скорости и местоположении транспортного средства отображается на электронной карте. При этом имеется 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 в различных цветах, масштабировать объекты и т.д. Это позволяет диспетчеру всегда знать текущее местоположение всех транспортных средств, прогнозировать время прибытия в пункт назначения, при необходимости корректировать маршрут движения транспортных средств и иметь двухстороннюю связь с водителем в любое время.

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

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

-    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 также используются 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. Однако неразвитость сетей, поддерживающих режим GPRS, является существенным ограничением использования таких систем.

Системы слежения с глобальным покрытием

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

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

Международная система спутниковой связи Inmarsat разрабатывалась как спутниковая система связи для военно-морского флота и морских перевозок, однако последняя реализация системы Inmarsat рассчитана также и на сухопутные транспортные средства. Зона обслуживания системы Inmarsat охватывает почти всю поверхность земного шара, за исключением околополюсного пространства.

Для контроля за местоположением транспортных средств и связи с ними при их нахождении в любой точке мира, на транспортное средство устанавливается спутниковая станция Inmarsat со встроенным приемником GPS. 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, не ниже 100 метров. В диспетчерском центре происходит обработка поступающей от транспортных средств информации. Их местоположение отображается на цифровых электронных картах с одновременным занесением принятой информации 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, Email, другими станциями системы Inmarsat. Также 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 состав сети 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: пульта водителя, связного блока и антенны. Рабочее место диспетчера представляет собой стандартный персональный компьютер и модем, обеспечивающий связь с российским региональным центром системы в Москве. 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.

Вторым направлением создания систем 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 состав системы спутниковой связи Globalstar входят 48 космических спутников связи, наземный сегмент, пользовательское оборудование. Система обеспечивает персональную связь в пределах 70° ю.ш. - 70° с.ш

Общий недостаток, объединяющий системы, использующие спутниковые каналы для передачи данных типа Inmarsat, EutelTracs или Globalstar - это достаточно высокая стоимость бортового оборудования (свыше тысячи долл. США) 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 также названы «черным ящиком».

Эта разновидность систем слежения является наиболее дешевой в реализации, поскольку отсутствуют достаточно 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.

«Черный ящик» стационарно устанавливается на транспортное средство, и включается при начале движения (остановить работу «черного ящика» водитель не может). «Черный ящик» может также устанавливаться 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 также проанализировать прохождение маршрута:

-    места/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 т.д.

-    создавать 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%.

Журнал "Горная Промышленность" №6 2006