Диплом (1214458), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Системы мониторинга подвижных устройств делятся на два типа (рисунок 1.1) [1]:

- системы персонального мониторинга;

- система транспортного мониторинга.

Системы персонального мониторинга – это мониторинг за пере­движением объекта, у которого установлено GPS-устройство. Данную систему используют для определения местоположения животных (на­пример, тигров редкой популяции), детей, туристов.

Решаются с помощью данной системы и такие задачи, как:

- отображение нахождение объекта и его маршрута передвиже­ния на интерактивных картах;

- ориентирование на местности и помощь человеку в переме­щении по незнакомой местности;

- поиск пропавших охотников и рыбаков;

- сбор информации для статистики спортсменов (например, средняя скорость, пройденный путь);

Данная система имеет погрешность точного местонахождения объекта до 50 метров, что в свою очередь достаточно для вышеопи­санных задач.

Система транспортного мониторинга - мониторинг транспорт­ных средств, использующий в основе систему спутниковой навигации, радиосвязь, сотовую связь, вычислительную технику и интерактивные карты местности. Данная система используется для контроля:

- авиасообщения;

- морской навигации;

- автомобильных грузоперевозок;

- служб такси;

- служб инкассации;

- транспорта строительных компаний;

- автобусного движения в городах.

Рисунок 1.1 – Системы контроля за подвижными объектами

В современных системах мониторинга и слежения за подвиж­ными объектами используются и навигационные, и телекоммуникаци­онные технологии.

1.2 Спутниковая навигация

Любая навигационная система в основном строится на прин­ципе определения расстояния до спутников, запущенных на орбиту Земли.

Устройство выполняющая данный подсчет, называется GPS-навигатор. Устройства GPS обеспечивают информацию о широте и долготе, а некоторые могут вычислить и высоту. У каждого спутника есть его уникальный код, который транслируется постоянно. В нем транслируются все данные о спутнике. Именно благодаря этому, GPS-навигатор распознает каждый спутник и точно может рассчитать рас­стояние до него. Для получения двухмерных пространственных коор­динат, GPS-навигатору требуется найти минимум 3 спутника, а для получения трехмерных пространственных координат, GPS-навигатору требуется минимум 4 спутника. От большего числа найденных спутни­ков, увеличивается и точность полученных пространственных коорди­нат.

Основными элементами систем спутниковой связи явля­ются (Рисунок 1.2):

- Космический сегмент, состоящий из навигационных спутников, представляет собой совокупность источников радионавигационных сигналов, передающих одновременно значительный объем служебной информации. Основные функции каждого спутника - формирование и излучение радиосигналов, необходимых для навигационных опреде­лений потребителей и контроля бортовых систем спутника.

- Наземный сегмент состоит из космодрома, командно-измери­тельного комплекса и центра управления. Космодром обеспечивает вывод спутников на необходимые орбиты при первоначальном раз­вертывании навигационной системы, а также периодическое воспол­нение спутников по мере их выхода из строя или выработки ресурса. Основными объектами космодрома являются техническая позиция и стартовый комплекс. Техническая позиция обеспечивает прием, хра­нение и сборку ракет-носителей и спутников, их испытания, заправку и состыковку. В число задач стартового комплекса входят: доставка но­сителя с навигационным спутником на стартовую площадку, установка на пусковую систему, предполетные испытания, заправка носителя, наведение и пуск.

- Командно-измерительный комплекс служит для снабжения на­вигационных спутников служебной информацией, необходимой для проведения навигационных сеансов, а также для контроля и управле­ния ими как космическими аппаратами, координирует функционирова­ние всех элементов спутниковой навигационной системы.

- Пользовательский сегмент состоит из аппаратуры потребите­лей. Она служит для приема сигналов от навигационных спутников, измерения навигационных параметров и обработки измерений. Для решения навигационных задач в аппаратуре потребителя предусмат­ривается специализированный встроенный компьютер. Разнообразие существующей аппаратуры потребителей обеспечивает потребности наземных, морских, авиационных и космических (в пределах ближнего космоса) потребителей [2].

Спутниковая технология GPS имеет возможность определять координаты объекта с точностью до 5 метров, а это довольно непло­хой результат. Эти же возможности спутниковой технологии GPS от­крывают на возможность определять скорость и направление движе­ния объекта с высокой точностью.

Мониторинг в реальном времени доступен только в зоне дейст­вия сотовой сети GSM, но так как покрытие GPS осуществляется по всему земному шару, то получить полную информацию о пройденном пути не составить труда.

Рисунок 1.2 – Основные элементы ССН

Прогресс не стоит на месте, и размеры и вес приемников и GPS-навигаторов существенно уменьшается, что расширяет возмож­ности использования повсеместно с другими устройствами или обору­дование в условиях недостаточности места. Практически все новей­шие модели смартфонов и планшетов оборудованы GPS-приемни­ками.

В 2011 г. в России осуществлен ввод в эксплуатацию Глобаль­ной навигационной спутниковой системы (ГЛОНАСС).

ГЛОНАС является отечественным аналогом системы GPS и вы­полняет те же функции, а именно для оперативного навигационно-временного обеспечения неограниченного числа пользователей:

- наземного;

- морского;

- воздушного;

- космического базирования.

По указу Президента РФ доступ к гражданским сигналам ГЛО­НАС в любой месте Земли предоставляется бесплатно, как россий­ским, так и иностранным пользователям.

1.3 Навигация по сотовой связи

Использование смартфонов и глобальных навигационных сис­тем стала одной из инновационных решений современного мира.

Имеется система по определению координат местоположения пользователя LBS, а именно координаты местоположения мобильного телефона. Замечательна данная система в том, что при ее примене­нии не требуется использование глобальной спутниковой мобильного телефона подразумевается привязка его к ориентирам сотовой сети, а именно нанесенным на интерактивную карту LBS-системы оператором сотовой сети или поставщиком данной услуги.

1.4 Основные механизмы работы сотовой сети

Основа сотовой сети – это сами сотовые телефоны и базовые станции, которые транслируют сигнал. Обычно данные базовые стан­ции устанавливают на высоких зданиях, на крышах домов, высоких трубах и вышках.

Будучи включѐнным, сотовый телефон прослушивает эфир, на­ходя сигнал базовой станции. После этого телефон посылает станции свой уникальный идентификационный код. Телефон и станция под­держивают постоянный радиоконтакт, периодически обмениваясь па­кетами. Связь телефона со станцией может идти по аналоговому про­токолу (AMPS, NAMPS, NMT-450) или по цифровому (DAMPS, CDMA, GSM, UMTS). Если телефон выходит из поля действия базовой стан­ции (или качество радиосигнала сервисной соты ухудшается), он на­лаживает связь с другой.

Сотовые сети могут состоять из базовых станций разного стан­дарта, что позволяет оптимизировать работу сети и улучшить еѐ по­крытие.

Сотовые сети разных операторов соединены друг с другом, а также со стационарной телефонной сетью. Это позволяет абонентам одного оператора делать звонки абонентам другого оператора, с мо­бильных телефонов на стационарные и со стационарных на мобиль­ные [3].

1.5 Определение местоположения по базовым станциям в сетях GSM

Заменой GPS-навигации реально может стать определение ме­стоположения объекта по базовым станциям GSM-сети. У каждой ба­зовой станции GSM имеются свои координаты нахождения на местно­сти, которые не меняются и устанавливаются при вводе базовой стан­ции в работу. Базовая станция транслирует свои основные параметры (LAC — Local Area Code и BSIC — Base Station Identification Code), ко­торые могут быть считаны с помощью специальных AT-команд. Так же есть возможность получения параметра TA (Timing Advance) , значе­ние которого прямо пропорционально длине от сотовой вышки до пользователя с GSM-модулем. Рассчет расстояния от сотовой вышки и до пользователя с GSM-модулем в метрах очень просто по фор­муле,

L=Ta*547. (1.1)

Нетрудно заметить, что самая большая погрешность при дан­ном измерении составит 547/2=273,5 метра.

Еще один параметр, который позволяет в различных случаях повысить точность определения координат местоположения, может являться уровень принимаемого сигнала RxLev. Измеряется данный параметр в децибелах на милливатт (дБмВт). Соответственно, чем дальше находится пользователь с GSM-модулем от базовой сотовой вышки, тем самым уровень сигнала будет выше, точность определе­ния координат местоположения будет пропорционально сигналу так же будет выше. Но на практике это не так, уровень сигнала сильно за­висит от местности. Если местности гористая, либо это городские ус­ловия, то на уровень сигнала будут оказываться помехи, либо сигнал будет затухать. Из вышесказанного, можно сделать вывод, что опре­делять координаты местоположения объекта можно достаточно эф­фективно и без использования глобальных спутниковых систем, ис­пользуя только GSM-модуль многих мировых производителей [4].

1.6 Метод позиционирования по "радиоотпечаткам"

Уникальным методом позиционирования мобильных телефо­нов, не имеющим аналогов в классической радиопеленгации, является метод сопоставления образов (сигнатур) мест расположения мобиль­ного телефона LRM и использующий технологию анализа параметров радиосигнала и характеристик его многолучевого распространения (Рисунок 1.3). Измеряя фазовые, временные и амплитудные пара­метры фрагментов радиосигнала мобильного телефона, отраженного от препятствий (зданий, возвышенностей и т.п.), базовая станция оце­нивает структуру подобного "радиоотпечатка" (fingerprint) сигнала и вычисляет его "сигнатуру" (signature). Полученная информация срав­нивается системой со своей базой образцов таких "сигнатур", соответ­ствующих разным вариантам расположения мобильного абонента на местности (Рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 – Принцип метода "радиоотпечатков"

В отличие от других технологий позиционирования мобильных телефонов, в данной системе вполне достаточно, чтобы только одна базовая станция обработала сигнал вызова.

Система обеспечивает определение как начального положения, так и перемещений мобильного телефона, и работает как в условиях плотной городской застройки, где случаи прямой видимости базовой станции весьма редки, так и в сельской местности, где сигнал к базо­вой станции обычно идет напрямую.

Процесс определения положения источника радиоизлучения включает следующие основные этапы:

- мобильный телефон излучает радиосигналы;

- сигналы, отражаясь от строений и других препятствий претер­певают определенные искажения и достигают базовой станции по многочисленным маршрутам;

- в базовой станции, система анализирует уникальные характе­ристики сигнала, включая следы его "многомаршрутного" распростра­нения и компилирует его "сигнатуру";

- данная "сигнатура" сравнивается с базой данных предвари­тельно идентифицированных мест расположения телефонов и соот­ветствующих им образцов "сигнатур", и находится соответствие.

Для идентификации места положения система не требует пря­мой видимости многочисленных базовых станций, что делает ее ра­боту высокоэффективной в условиях плотной городской застройки, где сейчас постоянно находятся более 70% всех радиотелефонов. Сис­тема также совместима с существующей сетевой инфраструктурой Она легко интегрируется в инфраструктуру сети мобильного опера­тора и не требует никаких модификаций базовых станций или мобиль­ных телефонов. Точность определения местоположения составляет 50 метров [5].

2 Техническая часть

2.1 Определение координат в системе GPS

Для дальнейшего понимания работы GPS/ГЛОНАСС рассмот­рим систему подробнее.

GPS – это система глобального позиционирования, благодаря которой можно определять двухмерные и трехмерные координаты требуемого объекта, имеющем GPS приемник, а именно:

- широту;

- долготу;

- высоту над уровнем моря;

- скорость движения;

- направление движения;

- точное текущее время.

Орбитальная группировка глобальных спутниковых систем бу­дет рассмотрена далее.

2.1.1 GPS

Штатная орбитальная группировка GPS состоит из 24 основных космических аппаратов, расположенных на шести круговых орбитах, обозначаемых латинскими буквами от A до F. Дополнительно на неко­торых орбитах может находиться один или два резервных КА, предна­значенных для сохранения параметров системы при выходе из строя основных КА. Наклонение орбитальных плоскостей 55°, долготы вос­ходящих узлов различаются на 60°. Высоте орбит 20 200 км соответ­ствует период обращения 11 ч 58 мин, т. е. орбиты космических аппа­ратов GPS являются синхронными. На рисунке 2.1.1 показана графиче­ски орбитальная группировка спутников GPS [8].

Рисунок 2.1.1 – Орбитальная группировка спутников GPS

2.1.2 ГЛОНАСС

Штатная орбитальная группировка ГЛОНАСС состоит из 24 спутников, находящихся на средневысотных околокруговых орбитах с номинальными значениями высоты – 19100 км, наклонения – 64,8° и периода – 11 часов 15 минут 44 секунды. Значение периода позво­лило создать устойчивую орбитальную систему, не требующую, в от­личие от орбит GPS, для своего поддержания корректирующих им­пульсов практически в течение всего срока активного существования. Номинальное наклонение обеспечивает стопроцентную доступность навигации на территории РФ даже при условии выхода из орбиталь­ной группировки нескольких КА. На рисунке 2.2.1 показана графически орбитальная группировка спутников ГЛОНАСС [9].

Характеристики

Список файлов ВКР