Особенности архитектуры построения и организации ППО ГЛОНАСС (GPS) навигационного контроллера

30КОМПОНЕНТЫ | GPSОсобенности архитектурыпостроения и организацииприкладного программного обеспеченияГЛОНАСС/GPS навигационногоконтроллера для управления подвижнымиобъектамиМихаил БасюкРоман КолотовФедор СавицкийИгорь ХожановСергей Чубаровrateos@rateos.ruДальнейшее развитие космическогосегмента глобальных навигационныхсистем «ГЛОНАСС» (Россия), GPS“Navstar” (США) и (в перспективе) “Galileo”(ЕС) предполагает постоянное совершенствование навигационной аппаратуры потребителей различных классов, а также навигационно-связных систем радионавигационногомониторинга и управления подвижнымиобъектами [1].На рис. 1 представлена функциональнаясхема модернизированного навигационногоконтроллера мониторинга и управления подвижными объектами, тактико-техническиехарактеристики которого существенно улучшены по сравнению с устройством-прототипоманалогичного назначения, представленным,например, в работе [1].В контроллере предусмотрена возможность подключения внешних датчиков (5 на замыкание/размыкание и 3 «аналоговых») и исполнительныхустройств (5 на замыкание/размыкание).В качестве входных датчиков допускается подключение любых устройств, обеспечивающихмеханическое (кнопки, тумблеры, концевыевыключатели, реле и т.

п.) или электронное(открытый коллектор) замыкание на «землю».При подключении «аналоговых» датчиков сле-«глонас»Рис. 1. Функциональная схема навигационного контроллера мониторингаи управления подвижными средствамиБЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №1 ’09GPS | КОМПОНЕНТЫдует использовать внешние согласующие цепи,обеспечивающие диапазон входных напряженийна контактах контроллера от 0 до 2,5 В.К выходам контроллера подключаются внешниеисполнительные устройства с током потребления не более 1 А.

Для более мощных устройствследует использовать внешнее реле.Для обеспечения голосовой связи диспетчерас объектом к разъему AUDIO контроллера можно подключить комплект голосовой связи. Таккак в комплекте голосовой связи установленактивный динамик, то ему требуется внешнеепитание 8–32 В. Питание можно подводить какнепосредственно от бортовой сети автомобиля,так и от соответствующих контактов разъемаIN/OUT контроллера.Важным преимуществом навигационногоконтроллера является возможность параллельного подключения через разъем RS-232 до трехцифровых датчиков уровня топлива.В состав контроллера входят следующие основные функциональные узлы и блоки:• встроенный комбинированный навигационный ГЛОНАСС/GPS-приемник (24 каналаприема и обработки сигналов навигационныхспутников), обеспечивающий высокоточноеизмерение вектора навигационных параметров подвижных объектов (координат,скорости и времени сеанса радионавигационных определений);• встроенный двухдиапазонный (900/1800 МГц)GSM-терминал, обеспечивающий доставкусообщений с информацией о местоположении и состоянии объекта и прием командчерез TCP/IP-соединение, устанавливаемоес помощью технологии пакетной передачиданных (GPRS), с использованием службыкоротких сообщений (SMS), а также голосовую связь;• встроенный Li-Ion аккумулятор для резервного питания и схему его заряда.Контроллер представляет собой функционально и конструктивно законченноеустройство.

Его функции:• вычисление географических координатобъекта, на котором он установлен, с использованием сигналов космических навигационных систем «ГЛОНАСС» (Россия)и GPS “Navstar” (США);• определение состояния внешних дискретных и аналоговых датчиков;• отправка полученной информации о местоположении объекта и состоянии внешнихдатчиков через Интернет с использованиемтехнологии пакетной передачи данных(GPRS) на диспетчерский компьютер с известным IP-адресом или коротких сообщений (SMS) на два заданных телефонныхномера (например, в диспетчерскийцентр);• управление внешними исполнительнымиустройствами (включение/выключение);• голосовая связь (через внешнюю гарнитуруили комплект голосовой связи);• работа от встроенного резервного Li-Ionаккумулятора при пропадании внешнегопитания и заряд аккумулятора при работеот внешнего питания;• удаленная конфигурация параметров и режимов работы (через GPRS или SMS) и по шинеWWW.WIRELESS-E.RUUSB (драйверы для Win 98/SE/2000/XP, MACOS-9, MAC OS-X, Linux 2.40 поставляютсявместе с контроллером);• удаленное обновление версий встроенногопрограммного обеспечения через TCP/IPсоединение по GPRS;• запись маршрутов в энергонезависимуюпамять при отсутствии GPRS-соединенияи доставка их при восстановлении связи.При обмене данными по каналам связи контроллер использует алгоритм шифрования по стандарту AES128 [2] с ключом доступа (паролем)длиной 128 бит (16 символов).

Пароль в видестроки «0000000000000000» (16 нулей) принятза отсутствие пароля. Внешние программы(«Интернет-канал» и пр.) при установлениисоединения с контроллером должны знать пароль, записанный в контроллер. Программапервоначально пытается установить соединениес использованием этого известного ей пароля,если же это ей не удается, то она пытается использовать «нулевой» пароль.Таким образом, программа сумеет установитьсоединение с контроллером, если:• пароль, записанный в контроллер, совпадает с паролем, записанным в программе;• в контроллер записан «нулевой» пароль(доступ к контроллеру открыт).Для питания контроллера необходим внешнийисточник постоянного напряжения от +6 до +32 В(заряд встроенного резервного аккумуляторавозможен только при напряжении внешнегопитания более 10,5 В). Такой широкий диапазон входных напряжений позволяет питатьконтроллер непосредственно от бортовой сетиразличных автомобилей.

Контроллер можетпоставляться со специальной схемой защитыот повышенного напряжения питания, котораяотключает устройство от бортовой сети приперенапряжении.Контроллер отправляет в диспетчерский центрнабор данных (отчет), содержащий информацию о местоположении, состоянии внешнихдатчиков, а также технологическую и статистическую информацию. Он формирует отчетыв соответствии с корректируемым пользователем адаптивным алгоритмом, что позволяетполучать максимально подробные маршрутыпередвижения объекта с учетом характера егодвижения при существенной экономии встроенной памяти и трафика.В качестве средства доставки команд и отчетовконтроллер использует сотовые сети GSMс услугой GPRS, поэтому зона действия связии прочие параметры определяются возможностями выбранного оператора сотовой связи.Конфигурация контроллера осуществляетсячерез USB-шину персонального компьютерас помощью специализированного программного обеспечения.Контроллер поставляется со встроеннымрезервным Li-Ion аккумулятором емкостью900 мА·ч, который обеспечивает автономнуюработу контроллера при пропадании внешнегопитания от двух до девяти часов (в зависимости от температуры).

Аккумулятор сохраняетработоспособность в диапазоне температурот –20 до +50 °С (при этом теряет емкость приотрицательных температурах) и рассчитанна 400–500 циклов зарядки.Обмен данными между диспетчерским центромсистемы и контроллером может осуществлятьсяпо трем каналам передачи данных: GPRS-соединение, SMS канал связи и USB последовательная шина.Необходимо отметить, что связь между контроллером и диспетчерским центром системы черезИнтернет с помощью GPRS-соединения — этоосновной режим доставки телематической информации от подвижных объектов.

Для того чтобыконтроллер смог установить TCP/IP-соединениес программой «Интернет-канал», необходимоустановить параметры этого соединения (адрес интернет-провайдера, пароль и логин длядоступа в сеть, IP-адрес и порт компьютера диспетчерского центра). Кроме того, контроллеромзадается время нахождения в GPRS-соединении(длительность GPRS-сессии).

Установив соединение, контроллер будет поддерживать егозаданный период времени, после чего разорветего и вновь установит через 2–3 секунды. Такойподход позволяет оптимально использоватьособенности тарифных планов операторовсотовой связи с точки зрения минимизациирасходов на оплату GPRS-трафика.От количества и расположения «видимых» спутников зависит точность определения навигационныхпараметров. Минимальное количество спутниковпри работе по комбинированному созвездию КНС«ГЛОНАСС» и GPS “Navstar”, требуемое для определения местоположения, — 4 (так называемое2D-решение), но лучшая точность достигается привидимости пяти и более спутников (3D-решение).Кроме того, в режиме 2D невозможно вычислениевысоты объекта.

Информация о типе навигационного решения (2D или 3D) записывается в отчети доставляется в диспетчерский центр вместе с навигационными данными, таким образом можносудить о точности местоположения.Для первого после подачи питания на контроллер определения местоположения (вычислениянавигационного решения) может потребоватьсяот 45 до 60 секунд. При кратковременном (до30 секунд) пропадании сигналов от спутниковнавигационное решение восстановится черезнесколько секунд после появления сигналов.Контроллер пытается определить (обновить)свое местоположение каждую секунду.

Еслина момент формирования отчета со временипоследнего успешно вычисленного местоположения прошло не более пяти секунд, считается,что это «свежее» навигационное решение. Еслипо какой-либо причине в момент формирования отчета «свежее» местоположение недоступно уже более пяти секунд (нет GPS-антенны,объект находится в тоннеле, прошло маловремени с момента подачи питания и т.

д.), контроллер укажет в отчете последние известныенавигационные параметры, которые считаются «устаревшими». Признак «актуальности»(свежие или устаревшие параметры) передается вместе с навигационными параметрами,вследствие чего диспетчер может судить отом, действительное ли это местоположениеили уже устарело.Время и дата тоже определяются по сигналам спутников систем «ГЛОНАСС» или GPS«Navstar», но для этого контроллеру достаточно «увидеть» всего один спутник. С моментаопределения времени по сигналу от спутника3132КОМПОНЕНТЫ | GPSРис. 2. Временные диаграммы работы контроллера с датчиком движенияабРис.