Pobierz najnowszy numer

Newsletter

Zapisz się do naszego Newslettera, aby otrzymywać informacje o nowościach z branży!

Jesteś tutaj

Elektroniczne metody monitorowania ruchomych środków transportowych (cz. 1)

Printer Friendly and PDF

1. Wprowadzenie

Stan nowoczesnych rozwiązań telekomunikacyjnych, informatycznych i nawigacji satelitarnej na chwilę obecną umożliwia wykorzystywanie zintegrowanych usług polegających m.in. na określaniu w sposób ciągły położenia pojazdów, kontrolowaniu stanu ładunków oraz automatycznym ich nadzorowaniu. Firmy ubezpieczeniowe wręcz żądają od przewoźników dostosowania środków transportowych, tak aby przewożone wartościowe ładunki oraz kierowcy byli bezpieczni. Telekomunikacja ruchoma (radiokomunikacja) dotycząca monitorowania jest istotnym czynnikiem skutecznych systemów zarządzania pojazdami. System określania pozycji (nawigacja) pozwala na obserwowanie w czasie rzeczywistym tras pojazdów, ich odszukiwanie, a gdy to konieczne zmianę strategii czy drogi pojazdów. Ciągłe monitorowanie daje cenne informacje w przypadku napadów rabunkowych, kradzieży, zmiany decyzji logistycznych czy też w razie wystąpienia nieprzewidzianych utrudnień w ruchu. Głównym odbiorcą usług pozycjonowania jest przemysł transportowy, któremu takie informacje dają wymierne korzyści w postaci dochodów firmy.

Image
Rys. 1. Metody lokalizacji terminala abonenckiego w systemie GSM

Systemy monitorowania, a więc i lokalizacji, są pomocne w zarządzaniu zarówno przewozami ładunków niebezpiecznych, jak również ładunków wartościowych. Znacznie ograniczają możliwość katastrof, pomagają zapobiegać ich skutkom oraz zmniejszają ryzyko kradzieży, a w razie jej wystąpienia ułatwiają odnalezienie pojazdu. Sprawna organizacja transportu, elastyczne reagowanie na zakłócenia w planowanych przebiegach tras mają znaczenie nie tylko z uwagi na optymalne wykorzystanie taboru, ale także przede wszystkim ze względu na bezpieczeństwo transportów.

Możliwość satelitarnego i naziemnego radiokomunikacyjnego monitorowania położenia pojazdów w dowolnym miejscu i czasie ma szczególne znaczenie wszędzie tam, gdzie jest uboga i zawodna infrastruktura telekomunikacyjna, np. w niektórych rejonach Europy Środkowej i Wschodniej. Ważne jest, aby tworzone systemy monitorowania zaspokajały potrzeby lokalizowania pojazdów i transmisji danych, wykorzystując globalną obsługę telekomunikacyjną, a jednocześnie były wiarygodnym źródłem informacji o położeniu obiektów będących własnością zainteresowanych firm i instytucji przewozowych. Monitorowanie ruchomych obiektów transportowych jest niełatwym zadaniem choćby ze względu na różne warunki propagacyjne w mieście (terenie mocno zurbanizowanym) i w terenie otwartym. Utrudniają je też warunki pogodowe.

Celem artykułu jest przedstawienie propozycji i dobór elektronicznej metody monitorowania pojazdów samochodowych przewożących ładunki specjalne. W artykule zostaną przeanalizowane istniejące metody monitorowania obiektów transportowych z wykorzystaniem nawigacji i radiopowiadamiania, a także rozwiązania przy tym stosowane.

W tej części artykułu zostaną poruszone problemy dotyczące satelitarnych systemów nawigacji oraz stosowanych metod łączności i transmisji danych naziemnymi drogami radiokomunikacyjnymi.

W części drugiej zostanie przedstawiony specjalistyczny system radiokomunikacji kolejowej, a w części trzeciej – nowoczesny system monitorowania elektronicznego przeznaczonego dla obiektów transportowych przewożących duże wartości pieniężne.

2. Przegląd spotykanych rozwiązań elektronicznej ochrony i monitorowania pojazdów samochodowych

Image
Rys. 2. Metody lokalizacji abonenta za pomocą stacji bazowych

W tej części opracowania zawarto przegląd rozwiązań koncepcyjnych oraz istniejących metod monitorowania pojazdów transportowych. Nieodłącznym elementem monitorowania pojazdu jest wiedza o jego położeniu i możliwość nawiązania łączności z kierowcą (ew. maszynistą pociągu). Obecnie najczęściej stosowana metoda monitorowania elektronicznego ruchomego obiektu transportowego łączy w sobie dwa systemy: GSM i GPS, jednakże znane są i stosowane także rozwiązania, niewykorzystujące GPS (np. GSM).

2.1. Metody radionamierzania w systemie GSM

Ta część artykułu poświęcona będzie problemom lokalizowania abonenta (kierowcy, maszynisty pociągu) oraz łączności w systemie GSM.

2.1.1. Metody określania położenia terminali (np. kierowców) w systemie GSM

Cenną informacją w systemach radiokomunikacji ruchomej jest informacja o lokalizacji użytkownika. Już sama zasada działania sieci GSM skutkuje posiadaniem takiej wiedzy. Rejestracja w zasięgu najbliższej, osiągalnej stacji bazowej czy taryfikacja związana z przekroczeniem granic państwowych i przejęciem terminala przez innego operatora wynikają z zasady utrzymania ciągłego zasięgu (to warunek). Zgodnie z zasadami działania infrastruktury sieciowej w GSM użytkownik terminala, tak jak i operator sieci, uzyskują tym samym dostęp do położenia geograficznego terminala.

Najczęściej wykorzystywane metody lokalizacji terminala GSM przedstawia rysunek 1.

Metoda COO (Cell Of Origin) – identyfikacja stacji bazowej – nie wymaga  modyfikacji sieci ani terminala abonenckiego. Dokładność  tej metody zależy od promienia komórki. W pikokomórkach wyniesie ona około 150 m, ale niestety aż do 40 km w makrokomórkach.

Metoda EOTD (Enhanced Observed Time Difference) – wykorzystuje różnice w czasie propagacji sygnału od terminala do kilku stacji bazowych. Proponowana metoda wymaga modyfikacji terminali i infrastruktury sieci. Polega na analizie danych odnośnie do czasu propagacji pomiędzy trzema stacjami bazowymi a terminalem. Dokładność metody waha się od 50 do 125 m.

Kolejna metoda – TOA (Time Of Arrival), wykorzystująca pomiar czasu propagacji od terminala do komórki, podobnie jak metoda EOTD, analizuje czas propagacji (w tym przypadku pomiędzy terminalem a jedną stacją bazową). Wymaga stosowania dokładnych wzorców czasowych w stacji bazowej, wykorzystujących atomowe wzorce czasu lub odbiorniki GPS. Dokładność metody waha się od 50 do 400 m.

Metoda AOA (Angle Of Arrival), analiza kąta propagacji sygnału, pierwotnie wykorzystywana była w wojskowych systemach namierzania. Wykorzystywane są systemy wieloantenowe (cztery do 12 anten). Stacje bazowe określają kąt propagacji. Im więcej stacji bierze udział w pomiarze – rys. 2. – tym większa dokładność lokalizacji abonenta, co za tym idzie, mniejszy obszar, na którym potencjalnie przebywa abonent.

Metoda A-GPS (Assisted GPS) wymaga doposażenia lub modyfikacji terminala abonenckiego. Polega na raportowaniu przez terminal swojego położenia dzięki danym pobieranym z odbiornika GPS. Dokładność metody jest zależna od widoczności satelitów i wskazań odbiornika GPS.

Biorąc pod uwagę infrastrukturę sieci GSM, można stwierdzić, że wszystkie opisane metody mogą być realizowane przez tę sieć. Niestety, aby uzyskać wymienione dokładności pomiarów, niezbędna byłaby rozbudowa sieci.

Oprócz metody pomiaru kąta propagacji sygnału, niewymagającej ingerencji w terminal, pozostałe są możliwe do zaimplementowania w terminalach abonenckich. Byłyby jeszcze potrzebne dodatkowo baza danych z geograficznym położeniem stacji i możliwość pobrania danych o kodach stacji bazowych, z którymi w danej chwili ma kontakt terminal.

Z uwagi na opisane niedogodności i niewielką dokładność wykorzystanie metod terminalowo-sieciowych na potrzeby monitorowania pojazdów jest znikome. Jedynie rozwiązanie wykorzystujące połączenie terminala z odbiornikiem GPS może być godne uwagi w zastosowaniach transportowych. Na rynku dostępne są terminale posiadające wbudowane odbiorniki GPS. Niektóre z terminali wyróżniają się dużymi, kolorowymi wyświetlaczami graficznymi o dużej rozdzielczości.

2.1.2. Metoda lokalizacji terminala GSM (np. kierowcy) na potrzeby alarmowe

Metoda zapewniająca określenie położenia abonenta z dużą dokładnością nosi nazwę TDoA (Time Difference of Arrival). Znana z techniki wojskowej, polega na lokalizacji terminala, traktowanego jako źródło emisji fal elektromagnetycznych, poprzez pomiar różnic czasów odbieranego sygnału w kilku stacjach bazowych. Wymaga ona, aby terminal abonencki znajdował się w zasięgu łączności, przynajmniej trzech stacji bazowych, wyposażonych, podobnie jak w metodzie TOA, w przystawki do określania czasu odbioru sygnału. Metoda TDoA, zwana również odwróconym systemem hiperbolicznym, cechuje się dużą dokładnością pomiaru, pomimo zastosowania anten o niekierunkowych charakterystykach. Model teoretyczny zakłada, że sygnały nadawane przez źródło docierają do tego odbiornika po czasie ti. Zmierzony czas ti nie jest użyteczny. Dopiero różnice czasów pomiędzy parami stacji dają wstępną informację do dalszej obróbki.

 

Image
Rys. 3. Wyznaczanie miejsca położenia źródła emisji metodą TDoA

Jeśli stację A oznaczymy jako główną oraz stacje B i C jako podrzędne, to na rys. 3. przedstawiono różnice czasów przyjścia sygnału do poszczególnych stacji (równ. 1.):

Image 

gdzie:
j = B, C;
RjM – odległość źródła emisji do punktów B, C;
RAM – odległość źródła emisji do punktu A;
c – prędkość propagacji fali elektromagnetycznej.


Różnice odległości można zapisać jako (2)

Image


W układzie współrzędnych prostokątnych XY odległości źródła emisji od punktów odbioru (np. aktualne położenie kierowcy) przedstawia zależność (3):

Image

gdzie:
i = A, B, C;
xi, yi – współrzędne punktów odbioru A, B, C;
x, y – współrzędne źródła emisji.

Szukany punkt widoczny jest na rys. 3. jako punkt przecięcia się linii pozycyjnych, będących hiperbolami utworzonymi dla każdej pary stacji bazowych.

Propozycję architektury systemu nawigacyjnego oraz transmisji sygnałów przedstawiono na rys. 4. Zgodnie z rys. 4. do stacji bazowych należy dodać wzorzec czasu, odbiornik oraz układ próbkowania odebranego sygnału. Produktem wyjściowym dodanego bloku jest precyzyjnie oznaczony czasowo ciąg próbek sygnałów wysyłanych przez terminal, odebranych w stacji bazowej. Informacja ta byłaby dalej przekazana do umieszczonego w dowolnej stacji bazowej lub poza nią procesora TDoA. W procesorze kojarzone ciągi sygnałów pozwoliłyby na wyznaczenie różnic czasów ich przybycia (TDoA) i, na tej podstawie, na dokładne określenie miejsca położenia terminala. Tak uzyskaną informację można by przenieść do centrum alarmowego, gdzie zostałaby naniesiona na mapy cyfrowe.

Image
Rys. 4. Propozycja architektury systemu GSM, wykorzystującego metodę TDoA
 

Realizacja metody wiąże się z precyzyjnym oznaczaniem czasowym próbek odebranego sygnału i przekazaniem tej informacji do procesora w celu przetworzenia. Wiąże się to z ujednoliceniem skali czasu w całym systemie, zarówno w odbiornikach, jak i w procesorze TDoA. W części odbiorczo-pomiarowej należy umieścić układ synchronizacji czasu, którego wystarczający poziom zapewnić mogą wyspecjalizowane odbiorniki GPS. Na wyjściu takiego odbiornika dostępny jest impuls sekundowy, zsynchronizowany z osią czasu systemu GPS, na poziomie nie gorszym niż t=±50 ns.

Do precyzyjnego wyznaczenia położenia terminala niezbędny jest kontakt radiowy z co najmniej trzema stacjami bazowymi. Biorąc pod uwagę tylko jednego operatora sieciowego, warunek ten jest prosty do spełnienia w miastach i w ich bezpośrednim sąsiedztwie. W terenie słabo zurbanizowanym warunek kontaktu abonenta z trzema stacjami bazowymi jednego operatora staje się bardzo trudny lub wręcz niemożliwy do spełnienia. Rozwiązaniem tej sytuacji mogłaby być współpraca między operatorami sieciowymi na płaszczyźnie alarmowo-ratowniczej. Stworzony system, w połączeniu z np. numerem alarmowym 112 lub inną drogą powiadamiania, poprawiłby bezpieczeństwo abonentów (np. kierowców) i umożliwił udzielenie im szybkiej pomocy w przypadkach zagrożenia zdrowia i życia lub próby napadu i kradzieży wartościowego ładunku.

2.1.3. Lokalizacja terminala za pośrednictwem metody typu Idea Nawigator

Rozwiązaniem powstałym na polskim rynku, zrealizowanym w sieci GSM i wykorzystującym Internet, jest usługa o nazwie Idea Nawigator (rys. 5.).
Usługa powstała kilka lat temu z myślą o średnich i dużych firmach usługowych, prowadzących działalność operacyjną w terenie, np. przedsiębiorstwach transportowych, kurierskich, serwisowych, z branży FMCG.

Image
Rys. 5. Schemat usługi radiokomunikacyjnej typu Idea Navigator
 

Idea Nawigator to usługa, która wspomaga proces zarządzania zasobami w firmie. Umożliwia lokalizacje terminali (telefonów komórkowych lub innych urządzeń wyposażonych w kartę SIM), stałe monitorowanie ich położenia, lokalizacje terminali będących najbliżej zadanego punktu oraz tworzenie raportów dotyczących drogi przemieszczania się terminali. Usługa bazuje na technologii LBS (Location Based Service) oraz SMS (Short Message System). Dostęp do usługi możliwy jest przy użyciu dowolnej, dostępnej na rynku przeglądarki WWW, obsługującej aplety Java. Dodatkowo, dzięki technologii GPRS, istnieje możliwość monitorowania położenia terminali na ekranie notebooka, niezależnie od miejsca pobytu administratora usługi.

Zalety usługi Idea Nawigator:

  • wzrost poziomu bezpieczeństwa pracowników i przewożonych ładunków,
  • optymalizacja wykorzystania środków transportu,
  • usprawnienie komunikacji pomiędzy centralą a pracownikami terenowymi,
  • usprawnienie procesu zarządzania zasobami w firmie,
  • niskie koszty wdrożenia oraz eksploatacji.

Wady usługi:

  • brak reakcji systemu na nieautoryzowane wtargnięcie do pojazdu,
  • brak możliwości gromadzenia danych o stanie pojazdu, ładunku.
2.1.4. Inteligentny moduł ochrony pojazdu z funkcją zarządzania

Jednym z rozwiązań bazujących na sieci GSM jest system Bezpieczne auto, zaproponowany przed kilku laty przez jednego z polskich operatorów telefonii mobilnej. Urządzenie firmy Merengo, nazwane komunikatorem, pozwala zdalnie kontrolować stan pojazdu za pomocą wbudowanego terminala GSM ze specjalnie do tego celu przeznaczoną kartą SIM. System ten umożliwia otrzymanie informacji o stanie pojazdu w dowolnej chwili. W przypadku nieautoryzowanego wtargnięcia do samochodu komunikator za pośrednictwem wiadomości SMS poinformuje o tym właściciela i wskazanego w procesie instalacji systemu, abonenta GSM. Po wysłaniu komunikatu otrzymuje się potwierdzenie wykonania komendy w postaci zwrotnej wiadomości SMS.

Urządzenie pozwala na wysłanie SMS-a z informacją o każdym:

  • nieupoważnionym otwarciu,
  • uruchomieniu pojazdu,
  • załączeniu się w pojeździe alarmu.

W rezultacie pozwala reagować na otrzymane informacje:

  • włączeniem blokady pracy silnika,
  • załączeniem i wyłączeniem blokady pracy silnika w funkcji parkingowej,
  • uruchomieniem urządzeń dodatkowych.

Powyższa metoda może być stosowana w ograniczonym zakresie i nie nadaje się do pojazdów przewożących duże wartości pieniężne (termin stosowany przez towarzystwa ubezpieczeniowe).

2.2. Metody radionamierzania w systemie UMTS (3G)

Ciągły rozwój telefonii mobilnej zaowocował uzupełnieniem telefonii drugiej generacji o usługi transmisji danych HSCSD i GPRS – telefonia generacji 2+. Ostatnim rozwiązaniem telefonii 2+ jest usługa EDGE, która oferuje znaczne przyspieszenie przesyłu informacji, bo aż do 386 kbps, w porównaniu z 9 kbps w jednym kanale GPRS. Wyniki te jednak przestają imponować przy 2 Mbps, jaki oferuje telefonia UMTS trzeciej generacji.

Umożliwi ona zarówno znacznie bogatszy udział abonenta ruchomego w rozwiązaniach multimedialnych operujących na olbrzymich ilościach danych, jak również szybki dostęp do Internetu i zasobów korporacyjnych sieci komputerowych.

Wykorzystując ten potencjał, kolejne rozwiązania monitorowania pojazdów będą bogatsze o multimedialną oprawę, w tym przesyłanie obrazu „stojącego” w UMTS na równi z komunikacją głosową.

Lokalizacja terminala (np. kierowcy) w sieci UMTS odbywać się może przez podanie współrzędnych abonenta lub też może być wzbogacona o szereg usług dodatkowych.

Dodatkowymi usługami sieciowymi mogą być:

  • informowanie o sytuacji na drodze,
  • wskazywanie dogodnych dróg objazdowych,
  • lokalne prognozy pogody,
  • informacja turystyczna.

Należy dodać, że informacja o położeniu terminala znana jest centrum alarmowemu w czasie połączenia alarmowego z abonentem.

Image
Rys. 6. Metody lokalizacyjne w sieci UMTS

Ze względu na stopień udziału sieci i terminala abonenckiego metody lokalizacji abonenta można podzielić następująco – rys. 6.:

  • metoda sieciowa bez udziału terminala – centrum obliczeniowe sieci dokonuje wyliczenia na podstawie pomiarów w stacjach bazowych sygnału nadawanego przez terminal,
  • metoda sieciowa z udziałem terminala – polega na przeprowadzeniu pomiarów w terminalu i przesłaniu ich do urządzeń sieci, gdzie następuje wyliczenie położenia terminala,
  • metoda terminalowa z udziałem sieci – w metodzie tej terminal abonencki wylicza swoje położenie, wykorzystując pomierzone sygnały ze stacji bazowych,
  • metody hybrydowe – polegają na kombinacji wcześniej wymienionych metod, w taki sposób, żeby wskazanie położenia abonenta miało znacznie większą dokładność.

Możliwość lokalizacji terminala abonenckiego wiąże się jednak z koniecznością rozbudowy sieci szkieletowej i sieci UTRAN. Na rys. 7. przedstawiono architekturę sieci UMTS (3G) wraz z elementami dodanymi – zaznaczonymi kolorem zielonym.

W sieci szkieletowej (rys. 8.) za lokalizację terminali (a więc kierowców) odpowiada brama GMLC. Zapytania o lokalizację docierają do niej od serwerów zewnętrznych:

Image
Rys. 7. Architektura sieci UMTS (3G) uzupełniona o elementy wspomagające lokalizację

SCS, należących do środowiska OSA, SCF, należących do środowiska CAMEL, oraz zewnętrznych aplikacji LCS. Po autoryzacji aplikacji i zarejestrowaniu pomiarów zapytanie o dane lokalizacyjne przesyłane jest do sieci UTRAN. Wyniki wykonywanych pomiarów przesyłane są do GMLC, a stąd dalej do aplikacji. Dodatkowo struktura sieci została uzupełniona o dwa elementy: PPR i PMD, odpowiedzialne za prywatność abonenta. PPR jest rejestrem realizującym składowanie danych, określających warunki realizacji procedur lokalizacyjnych.

Element PMD nadaje stacji ruchomej, żądającej zlokalizowania, pseudonim, który jest wykorzystywany dalej przez sieć.

Struktura sieci UTRAN została wzbogacona dodatkowo o następujące moduły: LMU i SMLC. Moduł LMU dokonuje pomiarów, obliczeń sygnałów radiowych pochodzących od terminali stacji bazowych lub satelitów systemów nawigacyjnych. Otrzymane wyniki przesyła do sterownika RNC. Sercem Centrum Lokalizacyjnego SMLC jest serwer odpowiedzialny za przetwarzanie wyników pomiarów dokonanych w LMU i wyznaczenie na ich podstawie danych lokalizacyjnych.

Całej gamy usług jakie niesie ze sobą system UMTS nie sposób tu przytoczyć. Podobnie jak poprzednie systemy, system UMTS nie otrzymał końcowej specyfikacji na początku eksploatacji. Prawdopodobnie będzie się rozwijał w kierunku technik zwiększających przepustowość dostępnych łączy, uproszczenia obsługi terminali. Z pewnością też same konstrukcje techniczne terminali będą ewoluować w przenośne centra multimedialne, stanowiące połączenie wszystkich dostępnych możliwości komunikacyjnych i technik informatycznych.

Monitorowanie ruchu pojazdów stanie się prostsze i tańsze. Sama infrastruktura sieci UMTS pozwoli na realizację nawigacji i lokalizacji pojazdu. Użytkownik będzie miał dostęp do cyfrowych map, danych pogodowych, warunków drogowych, informacji o zagrożeniach. Z punktu widzenia transportu możliwe będzie zarówno przesyłanie zdjęć towarów czy miejsca dostarczenia towaru, a także drogi, po której najdogodniej będzie dowieźć towar po podaniu celu podróży, jak również monitorowanie w czasie rzeczywistym przewozu towarów oraz samej drogi, dzięki kamerom umieszczonym w pojeździe. W każdej chwili, dzięki połączeniu z lokalną siecią zakładową, użytkownicy będą w kontakcie z dyspozytorem. Na ekranie komputera pokładowego będzie możliwość przeglądania aktualnych zleceń czy zmiany dyspozycji.

 Image

Rys. 8. System satelitarny jako sieć dostępowa lub jako sieć dostępowa i szkieletowa (www.networld.pl - Satelitarne systemy multimedialne)

 

Multimedialna transmisja wizyjna z pojazdu podniesie bezpieczeństwo kierowcy i przewożonych towarów.

Niewątpliwie wszechstronny system UMTS jest niezwykle atrakcyjny na potrzeby monitorowania transportu. Niestety, jest on wciąż w trakcie budowy infrastruktury dostępu radiowego. Tym samym nie zapewnia zakładanego, globalnego pokrycia kuli ziemskiej. W Polsce obecnie trzech operatorów sieci komórkowych oferuje dostęp UMTS. Jest on jednak wciąż w fazie budowy i osiągalny jedynie w kilku aglomeracjach, i to nie w pełni pokrywa zasięgiem ich powierzchnię. Nadzieja w kolejnym operatorze, który ostatnio otrzymał koncesję na budowę sieci UMTS. Jest już projektowana sieć 4G o znacznej przepustowości i o wielkich prędkościach transmisji.

3. Architektura systemów satelitarnych

Istnieją dwa typy architektur systemów satelitarnych:

  1. Satelity są tylko siecią dostępową.
  2. Satelity stanowią zarówno sieć dostępową, jak i szkieletową (rys. 8.)(http://www.zsi.pwr.wroc.pl - Multimedia w wydaniu satelitarnym).

W pierwszym przypadku satelity są tylko siecią dostępową. Sygnał z terminala abonenckiego jest transmitowany do satelity i zaraz z powrotem na Ziemię – do stacji bazowej. Dalej jest odpowiednio przetwarzany i przesyłany już w szkieletowej sieci naziemnej. W takim układzie satelita tylko retransmituje sygnał na Ziemię, nie przekształca go, jako że nie zna się jego typu, nie jest też w stanie wzmocnić sygnału.

W tym sygnale nie mogą być też przesyłane żądane informacje sterujące, potrzebny jest do tego osobny kanał do stacji bazowej i do satelity. Większy ciężar położony jest na segment naziemny sieci. Większe też muszą być anteny terminali i stacji bazowych oraz moce sygnałów, jako że muszą uwzględnić wpływ szumów na drodze Ziemia – satelita i satelita – Ziemia. Taka architektura jest bardzo popularna i chętnie stosowana z dwóch powodów:

  1. Konstrukcja satelitów jest uproszczona, pozbawione są one elementów wzmacniających, przetwarzających i komutujących wiadomości. Prosta konstrukcja oznacza większą niezawodność.
  2. Transmisja sygnałów przez satelitę jest przezroczysta. Satelita nie zna typu przesyłanych wiadomości, nie ingeruje w nie. Oznacza to, że można przesyłać wiadomości dowolnego typu, nie ma konieczności zgodności protokołów transmisyjnych.
Image
Rys. 9 Satelity systemu GPS

W drugim przypadku satelity stanowią zarówno sieć dostępową, jak i szkieletową. Stacje bazowe pełnią rolę nadzorczą, poza tym muszą istnieć na Ziemi punkty dostępu do naziemnych sieci telekomunikacyjnych – Gateways. Może również występować naziemna sieć szkieletowa (albo przynajmniej jej część) uzupełniająca działanie jej satelitarnego odpowiednika. Ogólnie przetwarzanie i komutacja wiadomości następuje już w satelitach. Do przesyłania wiadomości bezpośrednio miedzy nimi służą łącza międzysatelitarne ISL (ang. Inter Satellite Links). Jednocześnie dzięki przesyłaniu wiadomości bezpośrednio między satelitami zmniejszają się opóźnienia transmisji.

Taka konstrukcja systemów satelitarnych stała się możliwa dopiero niedawno, wraz z postępowaniem techniki. Koniecznie jest bowiem wyniesienie na orbitę satelitów zbudowanych w sposób dużo bardziej skomplikowany i zapewnienie im odpowiedniej niezawodności działania.

4. Metody wyznaczania współrzędnych w systemie GPS

Globalny system pozycjonowania GPS, zwany również GPS Navstar, jest satelitarnym systemem służącym do określania położenia terminala w dowolnym miejscu na kuli ziemskiej. Zarządza nim biuro Navstar Navigational Satellite Time and Ranging) dowództwa sił powietrznych USA. Pierwszy satelita systemu został umieszczony na orbicie w 1978 roku, a w roku 1995 uzyskał pełną sprawność operacyjną.

GPS można podzielić na trzy segmenty:

  1. segment satelitarny,
  2. segment kontroli,
  3. segment użytkownika.

Segment satelitarny przedstawiony na rys. 9. (już powszechnie znany) składa się z 24 satelitów, rozmieszczonych na sześciu orbitach, 20200 km nad Ziemią. W każdej chwili z dowolnego punktu na ziemi widzianych jest od pięciu do 12 satelitów. Satelity wchodzące w skład systemu GPS zostały przedstawione na rys. 10. Segment kontroli stanowi pięć satelitarnych stacji śledzących. Główne centrum znajduje się w bazie lotniczej Falcon, w stanie Colorado Springs. Centrum to gromadzi informacje telemetryczne z pozostałych stacji śledzących i po przetworzeniu ich z udziałem filtru Kalmana przesyła je do stacji korygujących. Na rys. 10. przedstawiono układ systemu GPS Navstar. Stacja zarządzająca odpowiada również za wymianę danych o satelitach z czterema rządowymi instytucjami badawczymi: AFSCF, USNO, DMA, JPL, oraz odpowiada za wprowadzanie zmian do systemu satelitów. Segment użytkownika stanowią operatorzy odbiorników sygnałów satelitarnych GPS. Odbywa się w nich złożone przetwarzanie informacji, aby uzyskać trójwymiarowe współrzędne położenia, na jakiej wysokości i z jaką prędkością porusza się odbiornik względem Ziemi oraz uniwersalny, skoordynowany czas – UTC, lub czas lokalny – LT.

 

Image
Rys. 10. Segmenty systemu GPS Navstar
 

Zasada działania systemu polega na pomiarze czasu, jaki jest potrzebny, aby przesłać sygnał od satelity do odbiornika, a tym samym wzajemnej odległości. W chwili wysyłania informacji do użytkownika pozycja satelity jest możliwa do wyliczenia, na podstawie prognoz efemeryd. 

Położenie odbiornika wyznaczane jest na podstawie sygnałów z minimum trzech satelitów z dokładnością dla użytkowników cywilnych nie gorszą niż 100 m, przy wyznaczeniu współrzędnych dwuwymiarowych.

Po wyłączeniu świadomego zakłócania, w nocy z 1 na 2 maja 2000 roku upowszechniono sygnał pomiarowy pozwalający wyznaczyć współrzędne prostokątne z błędem L22,5 m. Dokładność także zależy od wielkości anteny i odbiornika GPS.

Na ograniczoną dokładność systemu mają wpływ liczne zjawiska pochodzące z Ziemi i przestrzeni kosmicznej. Można przyjąć następującą klasyfikację błędów:

a) zakłócenia propagacyjne:

  • interferencja fal wtórnych – wielodrogowość,
  • refrakcja troposferyczna,
  • refrakcja jonosferyczna,
  • szumy pochodzenia atmosferycznego i kosmicznego,


b) błędy orbit satelitarnych:

  • grawitacyjne oddziaływanie ciał niebieskich,
  • ciśnienie promieniowania słonecznego,
  • pole grawitacyjne Ziemi,
  • siły elektromagnetyczne,
  • opór atmosfery,


c) błędy wyliczeń modeli zjawisk geofizycznych:

  • pływy atmosferyczne,
  • pływy skorupy ziemskiej,
  • pływy oceaniczne.


d) błędy aparatury odbiorczej:

  • szumy odbiornika w kanale odbiorczym,
  • niestabilne wzorce częstotliwości,
  • zakłócenia od urządzeń pracujących w bezpośredniej bliskości pasma radiowego GPS.

W celu zwiększenia dokładności określania pozycji wprowadzono dodatkowe elementy systemu GPS – naziemne stacje referencyjne. Najbardziej w tej chwili rozpowszechnioną metodą poprawy dokładności wskazań jest metoda DGPS – Differential GPS. Rozmieszczone na Ziemi stacje – radiolatarnie, nadają informacje w kodzie RTCM – 104, zawierające poprawki wskazań. Informacje te przypisane są do każdego z satelitów, z którymi stacje mają kontakt w danej chwili.

Image
Rys. 11. Zasada działania DGPS

W najlepszej, powszechnie stosowanej odmianie DGPS, odbiornik stacji różnicowej mierzy pseudoodległość do wszystkich widocznych w danym momencie satelitów. Satelita nadaje informacje o aktualnym położeniu na orbicie, a pozycja stacji jest dokładnie znana, gdyż istnieje możliwość wyliczenia rzeczywistej odległości. Poprawkę różnicową stanowi różnica pomiędzy tymi dwiema odległościami dla tego satelity. Wartość tej poprawki może dochodzić nawet do kilkudziesięciu metrów dla satelitów, których orbity okrążania Ziemi wynoszą około 20 tys. kilometrów. Poprawka dla tego satelity koryguje, pomierzona do niego w odbiorniku użytkownika, pseudoodległość. Należy założyć, że odbiornik użytkownika i stacja różnicowa znajdują się w strefie działania tych samych satelitów. W każdym razie do użytkownika docierają poprawki dla wszystkich satelitów, widzianych przez stację różnicową. W procesie określania pozycji odbiornik wybiera pewną kombinację satelitów i uwzględnia tylko te poprawki satelitów, których kombinacja została wybrana. Zakłada się, że warunki propagacyjne na trasie satelita – stacja różnicowa są takie same, jak na trasie satelita – odbiornik użytkownika. Na rys. 11. przedstawiono zasadę działania systemu satelitarnego DGPS z uwzględnieniem sieci stacji referencyjnych.

Do błędów lub czynników powodujących zakłócenia w określaniu położenia można zaliczyć między innymi:

  • błąd efemeryd,
  • odchyłkę wzorca czasu satelity,
  • refrakcję troposferyczną,
  • refrakcję jonosferyczną.

Zatem przy zastosowaniu metody różnicowej, czyli uwzględnieniu przez odbiornik użytkownika poprawek docierających ze stacji referencyjnej, wpływ wyżej wymienionych błędów można zredukować, jeśli nie całkowicie, to przynajmniej w znacznym stopniu.

Wadą systemu jest stosunkowo krótki czas wiarygodności poprawek różnicowych oraz ograniczony zasięg oddziaływania stacji referencyjnych, gdyż wiarygodność owych poprawek maleje wraz z oddalaniem się od stacji. W konsekwencji powyższego konieczne jest stworzenie sieci stacji referencyjnych pokrywających swym zasięgiem cały świat.

Powodzenie metody nawigacji satelitarnej DGPS zaowocowało budową wielu stacji referencyjnych na świecie. Tabela 1. przedstawia dane ilościowe z końca 2003 roku, dotyczące:

  • stacji działających – nazwanych tu operacyjnymi,
  • stacji w fazie prób – nazwanych tu próbnymi,
  • stacji w planach – nazwanych planowanymi.

Liczby te w połowie 2006 roku są już inne (brak jest aktualnych danych).

Stacje operacyjneStacje próbneStacje planowaneŁącznie na świecie
1898415288

Jak wcześniej wspomniano, obecnie metoda monitorowania elektronicznego ruchomego obiektu transportowego łączy najczęściej w sobie dwa systemy: GSM i GPS. Oferowanych jest wiele systemów łączącym zalety systemów GPS i GSM, które można określić jako aktywną ochronę oraz zdalny nadzór nad flotą pojazdów. Pozycjonery takich systemów są instalowane w pojazdach, pełniąc rolę czarnej skrzynki, w której gromadzone są informacje na temat pojazdu i trasy, jaką przebywa. Informacje te mogą być bardzo ważne przy ustalaniu przyczyn ewentualnej kolizji drogowej lub innych zdarzeń w trakcie jazdy. Szczegóły takich rozwiązań zostaną przedstawione w części drugiej niniejszego artykułu.

5. Wnioski

Obecna faza rozwoju systemów radiokomunikacji ruchomej umożliwia wykorzystanie ich dla potrzeb lokalizacji, jednakże systemy te posiadają ograniczenia wynikające z działania w obrębie ich zasięgu (duże miasta i ich obrzeża). Skutkuje to ich ewentualnym zastosowaniem do obsługi transportu o charakterze lokalnym. Stąd też aby zapewnić ciągłą łączność z obiektami szczególnego znaczenia, muszą one wykorzystywać systemy satelitarne.

Użycie komunikacji satelitarnej pozwoli na zdalne przekazywanie położenia i stanu pojazdu do logistycznych baz danych osób, podmiotów bezpośrednio zainteresowanych tą informacją (pewne utrudnienia pojawiają się np. w tunelach).

Upowszechnienie się Internetu jest niebagatelnym powodem, aby wziąć pod uwagę możliwość jego wykorzystania jako przezroczystego medium transmisyjnego. Globalny charakter Internetu stanowi doskonałe podłoże, na którym budowane są systemy wymiany danych pomiędzy ośrodkami logistycznymi przedsiębiorstw transportowych czy kontrahentami. Obecnie działające rozwiązania teleinformatyczne pokazały celowość wykorzystania Internetu jako jeszcze jednego możliwego styku pomiędzy, często znacznie oddalonymi od siebie, ruchomymi terminalami. Niezależnie od doboru techniki zestawienia kanału wymiany danych zależy nam na ustanowieniu łączności pewnej i nieprzerwanej. Przekłada się ona zarówno na bezpieczeństwo kierującego pojazdem, przewożonego ładunku oraz na realne dochody przewoźnika – jak również znaczne zniżki ubezpieczycieli. Poczynione, niejednokrotnie kosztowne, zabiegi w celu stworzenia optymalnego systemu zaowocują w efekcie otrzymaniem:

  • zdalnego sterowania na odległość,
  • monitorowania globalnego (dostępnego w każdym miejscu kuli ziemskiej) i elektronicznego (wykorzystującego najnowsze osiągnięcia technik teleinformatycznych i kosmicznych), czyli trwającego nieprzerwanie nadzoru przedmiotu naszego zainteresowania, czyli ruchomych środków transportowych.

dr inż. Waldemar Szulc

Bibliografia:

  1. Biuletyn Komunikacji Miejskiej nr 30 – wybrane artykuły
  2. Czopik G., Roszak M., Witczak A.: Lokalizacja terminala GSM dla potrzeb ratownictwa, WAT, 2001 r.
  3. ETSI TS 101724 v8.0.0, 2000 r.
  4. Januszewski J.: System GPS i inne systemy satelitarne w nawigacji morskiej, Gdynia, 2004 r.
  5. Kaniewski P., Konatowski S., Kraszewski T.: Samochodowy system nawigacyjny, WAT, 2001 r.
  6. Kaczmarski K.: Elektroniczne metody monitorowania pojazdów samochodowych, praca magisterska pod kierunkiem dr. inż. Waldemara Szulca, Politechnika Warszawska, Wydz. Transport, Warszawa 2005 r.
  7. Kołakowski J., Cichocki J.: UMTS system telefonii komórkowej trzeciej generacji, WKŁ, Warszawa, 2003 r.
  8. Krawczak R.: Metody określania położenia terminali w systemie GSM, WAT ISŁ, 2001 r.
  9. Mielnik P., Witczak A., Poniecki A.: Synchronizacja czasu z wykorzystaniem GPS – wnioski i doświadczenia, 2000 r.
  10. Narkiewicz J.: Podstawy układów nawigacyjnych, WKiŁ, Warszawa, 1999 r.
  11. NOKIA BSC S 10.5 ED Vers. 2, Product Documentation: Location Servicesin BSC – DX 200, 2003 r.
  12. Rudziński A.: Skomputeryzowany system nadzoru ruchu tramwajów SNRT 2000, Biuletyn Komunikacji Miejskiej nr 53
  13. Szulc W.: Systemy Monitorowania w Transporcie, Politechnika Warszawska, Wydz. Transport, Warszawa, 2005 r.
  14. Urbańska K.: Koncepcja wdrożenia usług telefonii 3G dla potrzeb zarządzania transportem, praca magisterska pod kierunkiem dr. inż. Waldemara Szulca, Politechnika Warszawska, Wydz. Transport, Warszawa, 2004 r.
  15. Wesołowski K.: Systemy radiokomunikacji ruchomej, WKŁ, Warszawa, 2003 r.
  16. Zięcina K.: Szybka transmisja danych – szansa dla UMTS, Przegląd Telekomunikacyjny i Wiadomości Telekomunikacyjne, nr 8-9/2002 r.

Zabezpieczenia Nr 4/2006

Wszelkie prawa zastrzeżone. Kopiowanie tekstów bez zgody redakcji zabronione / Zasady użytkowania strony