Диплом (1214458), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Рисунок 2.2.1 – Орбитальная группировка спутников ГЛОНАСС
Принцип определения координат объекта построен на вычислении расстояния от объекта до трех и более спутников. Спутник транслирует свои данные, в которых содержаться его точные координаты. Имея эти данные хотя бы с трех спутников, можно определить координаты объекта как точку пересечения сфер, центр которых спутники, а радиус измеренное расстояние.
Рисунок 2.1 – Принцип нахождения координат в системе GPS
При известном расстояние А до одного спутника, координаты приемника определить невозможно, потому что он может находиться в любой точке сферы радиусом А, описанной вокруг спутника. Если известна удаленность В приемника от второго спутника. В этом случае нахождение координат тоже невозможно, потому что объект находится где-то на окружности (она выделена синим цветом на рисунке 2.1), которая является пересечением двух сфер. Расстояние С до третьего спутника сокращает неопределенность в координатах до двух точек (они отмечены двумя жирными синими точками на рисунке 2.1). Этого достаточно для однозначного определения координат. Из двух возможных точек расположения приемника, лишь одна находится на поверхности Земли (или в непосредственной близости от нее), а вторая, ложная (ошибочная), оказывается либо глубоко внутри Земли, либо очень высоко над ее поверхностью. Таким образом, теоретически для трехмерной навигации достаточно знать расстояния от приемника до трех спутников.
Стоит учесть, что приведенные выше рассуждения были сделаны для случая, когда расстояния от точки наблюдения до спутников известны с абсолютной точностью. К сожалению, абсолютной точности не достичь, в любом случае будет некоторая погрешность. Одной из причин появление погрешности является неточная синхронизация часов приѐмника и спутника.
Для точного определения времени прохождения сигнала часы GPS приемника и спутника должны быть максимально синхронизированы, отклонение даже на несколько микросекунд может привести к погрешности измерения в десятки километров. На спутнике для этих целей имеются высокоточные атомные часы. Установить аналогичные часы в GPS приемник не представляется возможным, поэтому используются обычные кварцевые часы, поэтому для синхронизации времени используются дополнительные сигналы, как минимум с еще одного спутника. Предполагается, что если время в GPS приемнике синхронизировано точно, то окружность с радиусом равным расстоянию от четвертого спутника пересечет туже точку, что и окружности от остальных трех спутников. GPS приемник корректирует свои часы, до тех пор, пока это условие не выполнится. Таким образом, для точного определения положения объекта в трехмерном пространстве (3D) необходимы сигналы минимум от 4 спутников (от 3 спутников без определения высоты над поверхностью земли – 2D). На практике при хорошей видимости небосвода GPS приемники получают сигналы сразу от множества спутников (до 10-12), что позволяет им синхронизировать часы и определять координаты с достаточно высокой точностью в 1-2 метра.
Наряду с последовательностью, по которой определяется время распространения сигнала, каждый спутник передает двоичную информацию - альманах и эфемериды. Альманах содержит информацию о текущем состоянии и расчетную орбиту всех спутников (получив информацию от одного спутника, появляется возможность сузить секторы поиска сигналов других спутников). Эфемериды - уточненную информацию об орбите конкретного спутника, передающего сигнал (реальная орбита спутника может отличаться от расчетной). Именно точные данные о текущем положении спутников позволяют GPS приемнику рассчитывать относительно них собственное местоположение [6].
Уровень приема сигнала от спутников и соответственно точность определения местоположения, ухудшается в виду большой облачности. Еще на прием сигналов могут оказывать помехи от различных радиоисточников. Но основным фактором остается неполная видимость небосвода. Это сильно влияет в городах густозаселенный застройками, где из-за расположенных близко высоких строений, значительная часть небосвода скрыта, либо вообще отсутствует (например, в тоннелях). В вышеописанных условиях, точность определения местонахождения может значительно падать до 20-30 метров, а иногда и более. Это происходит потому, что перекрывается доступные в данном секторе Земли спутники, соответственно расчеты ведутся по меньшему числу спутников. Смещение координаты местоположения при этом возникает обычно перпендикулярно плоскости относительно препятствия перекрывающего сигналы спутников.
Так же, большую роль в точности определения местоположения играют и антенны приемника, от их качества и расположения на том или ином объекте.
Из всего вышесказанного, можно сделать вывод, что работа только GPS/ГЛОНАСС-приемника не всегда доступна для железнодорожного транспорта, так как на пути следования, состав может проходить и туннели и двигаться по гористой местности, поэтому требуется использовать альтернативные методы определения местоположения. Например, по технологии GSM.
2.2 Технология A-GPS или Assisted-GNSS
Assisted-GNS(или A-GPS) — технология, позволяющая ускорить «холодный старт» GPS/ГЛОНАСС-приѐмника (см. рис.2.2). Ускорение происходит за счѐт предоставления необходимой информации через альтернативные каналы связи [7].
Рисунок 2.2 – Структурная схема работы технологии A-GPS
Технология A-GPS позволила ускорить запуск системы GPS мониторинга. Происходит это за счет того, что GPS-навигатор получает данные от спутников не на прямую от них, а от альтернативных каналов связи. Альтернативными каналами связи могу выступать базовые вышки сотовой связи.
На данный момент есть несколько видов ускоренного старта GPS:
- Так называемый «Холодный старт». Это включение устройства GPS, при котором происходит получение альманах и эфемерид со всеми данными орбит спутников. Такое происходит, если устройство не включалось больше месяца, либо было перенесено в сектор обслуживания другого спутника. Данные альманаха сохраняются на внутренней памяти устройства. В настоящее время, при ничем преграждающем небосводе, длительность «Холодного старта» GPS-приемника составляет около 5 минут, опять же, это время зависит от условий откуда ведется прием. Для «Холодного старта» так же требуется как одно из условий, это неподвижность приемника, на время приема альманаха, иначе он не будет получен.
- «Теплый старт» -– это включение устройства GPS, при котором данные альманах были загружены до этого во внутреннюю память устройства, но устарели данные эфемериды, координаты положения каждого спутника. Регенерация эфемериды происходит от тридцати до трехстах шестидесяти минут, это зависит от самого спутника. «Теплый старт» значительно быстрее «Холодного старта» и составляет около одной минуты. Иногда это время может быть увеличено по причине того движения объекта в сложных условиях приема (пасмурная погода или сложный рельеф местности).
- «Горячий старт» – это включение устройства после кратковременного выключения, если данные альманах и эфемерид не устарели (а это около тридцати минут). При «Горячем старте» не скачивает данные, а сразу же начинает использовать сигнал от спутников.
Так как скорость «Холодного старта» относительно велика, можно использовать технологию GSM (GPRS, EDGE, 3G, LTE) для более быстрого запуска работы устройства, либо при кратковременной потере спутников. Данные по GSM приходят сразу без задержек и координаты местонахождения имеют точность до двух километров. Координаты полученные по каналу GSM равны той базовой станции, которая находится ближе всего к объекту. Благодаря этому, пока модуль GPS будет получать данные со спутников, а это в зависимости от уровня сигнала может занять значительное время, можно будет узнать приблизительные координаты объекта сразу после включения. После того как модуль GPS войдет в рабочий режим, координаты местоположения будут уточнены данными со спутников.
Существует технология Assisted-GNSS (A-GPS), созданная сократить задержки на начальный запуск устройств GPS. В основном данная технология используется в смартфонах и планшетах.
У технологии Assisted-GNSS (A-GPS) есть 2 основных режима работы:
- когда провайдер сотовой связи с помощью аппаратуры выполняет все вычисления для определения местоположения объекта;
- когда провайдер сотовой связи с передает данные о альманаха, эфемериды и списка видимых спутников. GPS-приемник получает эти данные, обрабатывает и вычисляет свое местоположение.
Данная технология обладает большим быстродействием и улучшенной чувствительностью, но для ее работы требуется аппаратура на базовых станциях, которая имеет возможность ретранслировать сигналы GPS.
Технология Assisted-GNSS обладает рядом значительных преимуществ:
- значительно возрастает скорость запуска системы GPS слежения;
- увеличивается скорость работы GPS модуля и обновления координат;
- экономия энергии, в следствие чего, выросло время работы мобильных устройств;
- увеличение чувствительности приѐма слабых сигналов в тоннелях, низинах, впадинах, на узких городских улицах, в помещениях, в местах с густым лиственным покровом.
Недостатком Assisted-GNSS является то, что Assisted-GNSS (A-GPS) не имеет возможности функционирования за пределами сотовой сети. Существуют приемники с модулем Assisted-GNSS (A-GPS), объединенные с радиомодулем GSM, которые не имеют возможности старта при отключенном радиомодулем. Для старта Assisted-GNSS (A-GPS) наличие сети GSM не обязательно. При запуске модули Assisted-GNSS (A-GPS) потребляют трафик объемом 5-7 кБ, но если сигнал потерян, требуется повторная синхронизация, что увеличивает затраты клиента, особенно в роуминге.
2.3 Устройство GPS-контроля
Мониторинг за движущимся объектом происходит с использованием GPS-трекера.
GPS-трекер – устройство, состоящее из приемника GPS/ГЛОНАСС, которое вычисляет координаты местоположения и передает их на сервер в центр мониторинга системы.
Новейшие GPS-трекеры оборудованы гибридными приемниками, способными получать сигнал как от спутников GPS, так и от спутников ГЛОНАСС одновременно. С помощью данных приемников, устройство определяет свои координаты местоположения с большей точностью. Так же в GPS-трекере содержится модуль GSM для передачи данных о местоположении через сотовую сеть. В зависимости от модели GPS-трекера, можно передавать данные координат местоположения как по каналам GPRS, 3G, LTE, так и с помощью SMS сообщения. Принимающий сервер мониторинга должен обладать программным обеспеченьем и актуальными географическими картами для отображения местоположения объекта или движения объекта на карте в режиме реального времени. Так же у сервера существует возможность сохранять данные о передвижении объекта и делать анализ его перемещения в последующем.
Не считая приемника GPS и приемника ГЛОНАСС, а так же GSM-модуля GPS-трекер должен иметь GPS-антенну, GSM-антенну, аккумуляторную батарею или источник резервного питания и внутреннюю память. GPS-антенна бывает как внешняя, так внутренняя. В нашем случае для уверенного приема требуется устанавливать только внешнюю антенну, технические возможности и расположения это позволяют. Аналогично GPS-антенне требуется установить и GSM-антенну, так как планируется использование в значительной дальности от базовых станций сотового оператора. Аккумуляторная батарея или резервный источник питания позволяет устройству не выключаться и в последующем не перезапускаться, если кратковременно пропадает по той или иной причине питание GPS-трекера. Как выше описано, запуск после отключения, может составить от 30 секунд до 5 минут, а в условиях относительно больших скоростей (около 120 км/ч) отсутствие связи и данных о местоположении может сказаться плачевно. Встроенная память позволяет сохранять последние данные после отключения альманаха и эфемерид, а так же в случае проблем передачи координат местоположения, сохранение в памяти и в последующем отправка серверу при первой же возможности.
Подобные устройства тому, которое предлагается для использования на ЖД транспорте, используются уже в автомобильном транспорте, они помогают отслеживать местоположение и защищают транспортное средство от угона. Их круг использования очень большой, их так же можно использовать на железнодорожном, речном, маловысотном летательном транспорте.
2.4 Требования к разрабатываемому алгоритму
На данное время существует уже много алгоритмов определения координат местоположения. Задача данной работы заключается найти слабые места и разработать алгоритм, удовлетворяющий всем требованиям и исключить слабые места в определении координат местоположения подвижной единицы:
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
