Спутниковая навигация на железнодорожном транспорте


Скачать 54.24 Kb.


Дата04.02.2018
Размер54.24 Kb.
Типкурсовая работа

Скачать 54.24 Kb.

Введение

В настоящее время у многих ведомств и организаций возникает необходимость оперативного слежения за местоположением и состоянием подвижных объектов, а также передачи на них оперативной информации.

Практически все заинтересованные диспетчерские службы в настоящее время имеют в своем распоряжении те или иные технические средства, позволяющие осуществлять контроль (слежение) за передвижением своих объектов. Однако существующие средства не являются совершенными, обладают малой степенью автоматизации и имеют малую достоверность.

В последние годы настоятельно ставится задача о внедрении новых надежных технических средств, которые позволили бы осуществлять автоматизированный сбор диспетчерской информации с подвижных объектов, а также передавать информацию на объекты. Технически эта задача может быть выполнена целым рядом средств, как традиционных, так и спутниковых. На практике, однако, ни одна из возможных систем так и не была реализована на территории России.

Спутниковый мониторинг транспорта - система спутникового мониторинга и управления подвижными объектами, построенная на основе систем спутниковой навигации, оборудования и технологий сотовой и/или радиосвязи, вычислительной техники и цифровых карт.

В настоящее время в России активно продвигается и лоббируется использование сигналов спутников ГЛОНАСС, разработка и производство клиентского оборудования мониторинга для этой системы. Принят ряд законодательных актов, которые форсируют внедрение ГЛОНАСС и ограничивают применение других систем.

С 1 января 2006 г. все вновь вводимые в эксплуатацию транспортные средства, включая самолеты, суда, наземный транспорт, геодезическое оборудование и космические аппараты, - должны в обязательном порядке оснащаться аппаратурой спутниковой навигации отечественной системы ГЛОНАСС или комбинированными приемниками ГЛОНАСС/ GPS. Согласно постановления правительства от 25 августа 2008 г. N 641:

"В целях обеспечения национальной безопасности, проведения независимой политики в области спутниковой навигации, повышения эффективности управления движением транспорта, уровня безопасности перевозок пассажиров, специальных и опасных грузов, а также совершенствования геодезических и кадастровых работ Правительство Российской Федерации постановляет:

1. Оснащению аппаратурой спутниковой навигации ГЛОНАСС или ГЛОНАСС/GPS подлежат следующие транспортные, технические средства и системы:

... г) автомобильные и железнодорожные транспортные средства, используемые для перевозки пассажиров, специальных и опасных грузов...

... 5. Федеральным органам исполнительной власти обеспечить с 2010 года проведение работ по поэтапному оснащению аппаратурой спутниковой навигации ГЛОНАСС или ГЛОНАСС/GPS находящихся в эксплуатации (вводимых в эксплуатацию) транспортных, технических средств и систем, указанных в пункте 1 настоящего Постановления."

Итак, целью написания данной дипломной работы является оборудование СРНС ГЛОНАСС парка локомотивов Локомотивного эксплуатационного депо Белогорск с установкой мобильных терминалов ГЛОНАСС/GPS на каждый магистральный пассажирский локомотив (приписанный к депо), с реализацией тракта передачи данных от локомотивов в ЕДЦУП посредством операторов сотовой связи по технологии GPRS. Оборудование СРНС ГЛОНАСС локомотивов призвано решить следующие задачи:

- исполнение законодательных актов правительства РФ в части оснащения аппаратурой спутниковой навигации ГЛОНАСС железнодорожных транспортных средств, используемых для перевозки пассажиров, специальных и опасных грузов;

- повысить безопасность движения за счёт более точной, по сравнению с используемыми в настоящее время на железнодорожном транспорте, системами СЦБ;

- обеспечение, в режиме реального времени, координатно-временной информацией ГИС и АСУ железнодорожного транспорта (АСО УП, АСУ СС, ГИС РЖД, ИОММ и др.)Использовать данные, получаемые с мобильных терминалов ГЛОНАСС/GPS, в коммерческих целях таких, как информирование грузоотправителя/грузополучателя о передвижениях состава с грузом;

- в штатный состав восстановительных поездов РЖД могут войти беспилотные летательные аппараты (БЛА). Беспилотные разведчики позволят быстро оценивать ситуацию на месте аварии и качественно организовывать восстановительные работы. В случае аварии с опасными грузами, например при разливе химически опасных жидкостей, БПЛА может оценить масштаб разлива и быстрее его локализовать;

- для построения систем автоматического оповещения о приближении поездов к переездам;

- для построения систем автоматизации путевых работ с использованием путевых машин и комплексов;

- для построения автоматизированных систем учёта и контроля выполнения графиков плановых ремонтов и технического обслуживания локомотивов.

1. Обзор литературных источников и интернета

С развитием спутниковой навигации, с построением спутниковых «оболочек» Земли таких, как GPSNAVSTAR, ГЛОНАСС, GALILEO развиваются и компании, оборудующие комплексами спутниковой навигации и позиционирования транспорт и неподвижные объекты. Выходят (уже достаточное количество) в свет литературные издания с описаниями принципов построения таких комплексов, где приведены основные принципы работы, состояние и перспективы развития глобальных спутниковых радионавигационных систем.

Из отечественных авторов известны работы:

- В.В. Конин, В.П. Харченко «Системы спутниковой радионавигации». В книге рассматриваются глобальные спутниковые (GNSS) радионавигационные системы и навигационные характеристики с позиций потребностей систем CNS/ATM и международных организаций: ICAO, IMO, Евроконтроля. Приводятся характеристики сигналов навигационных спутников GPS и ГЛОНАСС, алгоритмы формирования сигналов и корректирующей информации, методы расчета орбитального движения спутников, преобразования координат и решения навигационных задач. Излагаются вопросы проектирования авиационных дифференциальных спутниковых станций и адаптивных антенных систем для противодействия помехам. Прилагаются программы в среде MatLab, касающиеся всех процедур вторичной обработки данных навигационных спутников;

- Ю.А. Соловьев «Системы спутниковой навигации». В доступной форме излагаются основные принципы работы, состояние и перспективы развития глобальных спутниковых радионавигационных систем (СРНС) GPS, ГЛОНАСС, Галилео, широкозонных дифференциальных подсистем (ДПС) WAAS, EGNOS, MSAS, региональных и локальных ДПС различного назначения. Основное внимание обращено на такие характеристики СРНС, как точность определения навигационных параметров и времен, доступность, целостность, непрерывность обслуживания.Книга содержит материалы по характеристикам аппаратуры потребителя и её помехоустойчивости, новым применениям, комплексированию аппаратуры с другими
средствами, базам навигационных данных, стандартизации технических решений. В заключение приведены перечни основных терминов и определений, адресов заинтересованных организаций и их страниц в сети Интернет, изданий и календарь наиболее значимых мероприятий на предстоящие годы в области СРНС;

- Б.Б. Серапинас «Глобальные системы позиционирования». Третье издание учебного пособия с простым и в то же время профессиональным изложением материала содержит основные сведения по устройству и применению спутниковых систем и позиционирования ГЛОНАСС (Россия) и GPS (США), теоретические основы измерений и обработки результатов. Первое издание учебное пособие "Основы спутникового позиционирования" было составлено по лекциям, которые читались студентам-картографам Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова. Вторая книга "Введение в ГЛОНАСС и GPS измерения" была издана в Ижевске Удмуртским государственным университетом.

Среди зарубежных авторов можно выделить работы Ж.М. Зог «Основы спутниковой навигации». Цель этой книги обеспечить обзор систем, в которых работает спутниковая навигация, и приложений с ее использованием. Рассмотрены все последние достижения в данной области. Данный документ предназначен для пользователей, заинтересованных этой технологией, а также для специалистов в области разработки приложений. Документ построен таким образом, что есть постепенный переход от простых понятий к сложным концепциям. Основная теория спутниковой навигации будет дополнена дополнительными важными деталями. Данное руководство служит помощником для понимания технологии приемников спутниковой навигации, модулей и ICs. Важнейшие новые разработки будут приведены в различных разделах. Понимание различных координатных систем, используемых в оборудовании GNSS, является трудной задачей. Поэтому отдельная глава посвящена картографии.

Глобальная информационная сеть Интернет также содержит изобилие различных статей о спутниковой навигации и её применении для нужд Вооружённых Сил, транспортных компаний, обычных граждан. Производители профессионального оборудования (РКС, ФГУП НИИ КП, Научно-производственная фирма "Гейзер",Транзас, Компания "Геокосмос", НПП "Транснавигация", М2М телематика, МКБ "Компания", ЗАО КБ "НАВИС", Государственное унитарное предприятие "Морсвязьспутник", НТЦ "Навигатор Технолоджи", НИИМА "ПРОГРЕСС", НПО "ПРОГРЕСС", ОАО "РИРВ", SPIRITTelecom, НПП "ТЕРМОТЕХ", GeckoSystems, КБ "ГеоСтар навигация", ФГУП НТЦ "Интернавигация", Компания "Радиома", ЗАО НПП «Навгеоком», Компания «Глобальная Навигация, Телематика, Время», ЗАО "Современные Телекоммуникации", NovacomWireless,Trimble, Ashtech, Javad, Leica Geosystems, Septentrio, NovAtel, SkyWaveMobile Communications, Topcon): мобильных терминалов, роверов, референцных станций, навигаторов, и пр. на своих сайтах размещают статьи, в которых достаточно популярно объясняют основные сведения по устройству и применению спутниковых систем и позиционирования ГЛОНАСС (Россия) и GPS (США), приведены характеристики аппаратуры потребителя и её помехоустойчивости, новым применениям, комплексированию аппаратуры с другимисредствами, базам навигационных данных, стандартизации технических решений. Информационно-аналитический центр Федерального космического агентства также размещает подобные статьи на своём сайте.

спутниковый навигационный локомотив помехоподавляющий

2. Изучение состояния вопроса на месте

Системами спутниковой навигации на данный момент оснащены 11 тысяч локомотивов на российских железных дорогах - 35% от общего числа, сообщил руководитель Центра стратегических разработок НИИАС Николай Сазонов в августе 2010 г.

Внедрение такой системы позволяет обеспечить автоматизированный сбор информации о дислокации подвижных объектов, обслуживаемых в рамках данной системы вне зависимости от их местоположения на Земном шаре, т.е. в глобальном режиме. При этом средства системы будут автоматически вычислять географические координаты местоположения объектов и направлять их в соответствующие диспетчерские пункты пользователей. Информация может быть также запрошена с объекта по инициативе диспетчера из диспетчерского пункта и имеется возможность передать на объект необходимую информацию.

Средства системы позволяют не только решать коммерческие цели управления, но и обеспечат повышение безопасности движения объектов и будут способствовать охране человеческой жизни. Данные о дислокации аварийных объектов могут быть переданы в соответствующие поисково-спасательные службы.

Мониторинг транспорта в режиме он-лайн дает уникальную возможность всегда иметь точную и достоверную информацию о реальном местоположении и маршрутах движения транспорта. Появляется возможность сверить маршрутные листы с реальным маршрутом отображаемым на географической карте, с отчетом на котором перечислены точки маршрута, либо с полным списком пройденных адресов.

Спутниковая навигация позволяет в автоматическом режиме предоставлять информацию о перемещении локомотивов в режиме он-лайн, повышать эффективность использования подвижного состава. Также данная система способствует централизации управления движением поездов и автоматического формирования данных о проделанной работе.

В состав системы должны входить главный и региональные диспетчерские центры, в которые информация от объектов должна поступать одновременно.

Должна быть предусмотрена возможность запросов о местоположении и состоянии объектов из диспетчерских центров, а также передача на них информации.

За основу проекта СРНС была взята система точного определения местоположения локомотивов с использованием спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС/GPS, разработанная специалистами ОАО «МКБ «Компас». Структура системы построена таким образом, что позволяет использовать её как на магистральном железнодорожном транспорте ОАО «РЖД», так и на предприятиях промышленного железнодорожного транспорта, имеющих свой локомотивный парк и путевую инфраструктуру, обслуживающих различные производственные комплексы добывающей, металлургической, химической и иных отраслей промышленности. Система представляет собой высокотехнологичный аппаратно-программный комплекс, предназначенный для оперативного обеспечения в режиме реального времени систем управления движением на железнодорожном транспорте, а также других железнодорожных АСУ и ГИС (геоинформационных систем) информацией о местоположении, скорости и направлении движения локомотивов с использованием систем ГЛОНАСС/GPS. Она обеспечивает диспетчерский персонал и смежные системы информацией о номере пути следования, местоположении на пути в железнодорожной системе координат, скорости и направлении движения локомотива с точностью, достаточной для решения задач управления движением. В качестве смежных систем могут быть использованы автоматизированные системы управления работой станции, автоматизированные системы контроля расхода топлива, автоматизированные системы контроля сроков проведения технического обслуживания и плановых ремонтов локомотивов, автоматизированные системы использования локомотивов на предприятиях контрагентов и многие другие АСУ и ГИС, которым необходима в режиме реального времени точная информация о местоположении, направлении и скорости движения локомотивов.

Опытная эксплуатация системы проводилась на опытном полигоне Красноярского транспортного узла.

Функциональные возможности системы в сочетании с возможностями смежных систем позволяют полностью автоматизировать управление поездной и маневровой работой на железнодорожном транспорте, а также обеспечить автоматизированный дистанционный контроль за расходом топлива и параметрами работы локомотива. Основные функции, которые может выполнять система, в сочетании с упомянутыми системами контроля топлива и управления работой станции:

- определение местоположения с точностью до 1 м, направления и скорости с точностью до 0,5 м/с в режиме реального времени в одноосной системе координат (километр, пикет, плюс), принятой на железнодорожном транспорте, и отображение текущего местоположения на цифровой карте путевого развития на экране ЭВМ диспетчерского персонала;

- воспроизведение трека траектории движения локомотива за требуемый период времени до трёх лет;

- отображение и запись в архив событий (время начала и конца простоев, время выхода и возвращения в депо, время нахождения на путях контрагентов, время включения и выключения силовой установки, время и место ухода и возвращения на пути объекта железнодорожного транспорта);

- автоматическое формирование отчётов о работе локомотива и локомотивных бригад, в том числе о времени работы силовой установки локомотива, расходе топлива, простоях в рабочем и нерабочем состояниях, пробеге с момента последнего ремонта или технического обслуживания, времени нахождения на путях контрагентов, соблюдении предписанного скоростного режима, исполненном графике движения, переводе локомотива в нерабочее состояние и обратно, проведении отцепок/прицепок локомотивов от поездов, смене локомотивной бригады;

- автоматизация основных операций с поездами, в том числе учёта прибытия поездов на станции, подготовки документов на прибывшие и сформированные поезда, контроля накопления вагонов в сортировочном парке и расчёта завершения образования поезда в соответствии с нормативами, контроля операций по обмену вагонами на подъездных путях контрагентов, контроля дислокации вагонов на подъездных путях предприятия, ведения вагонной модели района управления.

Для оборудования пассажирских локомотивов СРНС необходимо установить на них (локомотивы) мобильные терминалы, которые будут принимать сигналы от спутников ГЛОНАС/GPS и передавать данные о местоположении и состоянии локомотивов по каналам сотовой связи GSM на GPRS-сервер. Затем данные поступают на компьютер клиента (ЕДЦУП), где их обрабатывает специальная аналитическая программа, после чего на карте появляется точка, указывающая местоположение транспортного средства (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1-Схема взаимодействия элементов СРНС

Локомотивное эксплуатационное депо Белогорск (далее депо) Забайкальской дирекции тяги - Филиала ОАО РЖД имеет приписной парк пассажирских локомотивов. Участок обращения локомотивов от ст. Чернышевск до ст. Хабаровск составляет 1800 км.

Приписной парк депо составляет: 118 пассажирских локомотивов серии ЭП-1, 3 пассажирских локомотива серии ТЭП-70-БС, 8 локомотивов хозяйственного назначения. Все пассажирские локомотивы депо оборудованы унифицированным комплексом локомотивных устройств безопасности (далее КЛУБ-У), который изготовлен Ижевским радиотехническом заводом.

В состав аппаратуры КЛУБ-У (рис.2.1) входят: блок электроники БЭЛ-У; блок индикации БИЛ-УВ, БИЛ-В, БИЛ-ПОМ; блок коммутации и регистрации БКР-У-1М (БКР-У-2М); антенна спутниковой навигации; приёмопередающее устройство цифровой радиосвязи; блок питания ИП-ЛЭ; блок ввода и диагностики БВД-У; датчики пути и скорости ДПС-У; блок согласования интерфейсов БСИ; комплект кабелей; стационарное устройство дешифрации регистрируемых параметров СУД (в депо с использованием компьютера).

Приёмник GPSКЛУБ-У только принимает от спутника NAVSTARGPS синхронизирующий сигнал времени и координаты местоположения, которые фиксируются регистратором КЛУБ. Далее данные не передаются.

Рисунок 2.2- Структура системы КЛУБ-У

Структура комплекса КЛУБ-У включает в себя следующие устройства: БВЛ-У - блок ввода локомотивный; БИЛ-У - блок индикации; БИЛ-УВ - блок ввода и индикации; БКР-У - блок контроля и регистрации; БЭЛ-У - блок электроники; ИП - источник питания; КОН - контроль несанкционированного отключения ЭПК; КПУ - приёмные катушки; КР - кассета регистрации; КРТ - преобразователь давления; Л 178/1 - датчик угла поворота; ПРМ РК/ ПРД - приёмопередатчик радиоканала; РБ, РБС - рукоятки бдительности (РБС - специальная); РК - радиоканал; СНС - спутниковая навигационная система; ЭПК - электропневматический клапан

Комплекс КЛУБ-У выполняет следующие функции:

- автоматическое включение экстренного торможения при возникновении опасных ситуаций;

- экстренное торможение локомотива (поезда) принудительно посредством получения специального сигнала от поездного диспетчера (ДНЦ) или от дежурного по станции (ДСП) по радиоканалу УКВ;

- исключение самопроизвольного движения локомотива (скатывания);

- исключение несанкционированного выключения ЭПК;

- приём и дешифрация сигналов АЛСН, АЛС-ЕН;

- непрерывный контроль состояния тормозной системы;

- регулярный контроль бдительности машиниста;

- контроль совместных действий машиниста и помощника машиниста при трогании поезда и движении к запрещающему сигналу светофора;

- формирование сигналов для системы автоматического управления торможением (САУТ);

- учёт категории поезда, типа тяги, длины блоков-участков;

- регистрация параметров работы локомотива (скорость, режим тяги, режим торможения, сигналы АЛС, местоположение локомотива, время, срабатывание приборов безопасности, некорректное вмешательство в их работу) с записью на специальный картридж ёмкостью до 36 часов.

- формирование сигналов бдительности достижения фактической скорости: 2, 10, 20 и 60 км/ч;

- информирование машиниста о показаниях светофоров, числе свободных блоков-участков, фактической скорости с точностью до 1 км/ч и допустимой на данном участке пути скорости движения, кривой торможения, а также о текущем времени с корректировкой по астрономическому времени, координатах местоположения локомотива с точностью до 30 м при помощи спутниковой навигации, соблюдении графика движения поезда, названиях станций, номерах стрелок, светофоров, перегонов и т. п., расстояниях до контрольных точек (станция, переезд, мост, тоннель, стрелка, светофор, токораздел, опасное место и др.), хранящихся в электронной карте блока электроники БЭЛ.

Вдоль всего обслуживаемого участка железной дороги действует сеть мобильной сотовой связи стандарта GSM. Одновременно зону обслуживают три оператора сотовых сетей. Участки железной дороги, непокрытые сотовой сетью, незначительны порядка 2-5 км, с расположением одного такого участка на 100 км железнодорожного пути. В мобильном терминале при пропадании сети GSM данные обо всех передвижениях объекта записываются в блок памяти модуля (так называемый черный ящик), а при появлении связи GSM происходит передача по каналу GPRS всех точек маршрута движения за тот промежуток времени, когда сеть была недоступна.

На железнодорожном транспорте системы диспетчерского управления и контроля эффективности использования локомотивного парка на основе ГЛОНАСС/GPS технологий не нашли широкого применения. Основная причина такого положения - недостаточная для контроля и управления движением локомотивов на станциях точность определения местоположения.

Дело в том, что приёмники радионавигационных сигналов (ПРНС) ГЛОНАСС/GPS, представленные на рынке навигационных средств, являющиеся основой любого бортового навигационного оборудования, будь то трекеры, навигаторы, регистраторы и пр., обеспечивают точность определения местоположения порядка 10-15 м. В абсолютном режиме определения местоположения по данным ГНСС такая точность является предельной. То есть если для определения местоположения по ГНСС использовать только 1 ПРНС, как это делается в системах мониторинга автотранспорта, то получить точность более 10 метров, с доверительной вероятностью более 0,6 - невозможно. Для повышения точности определения местоположения, а для железнодорожного транспорта это 10 - 15 м на перегонах и 1 м на станциях, необходимо использовать относительный, или как его называют в геодезии - дифференциальный режим, предполагающий использование нескольких ПРНС.

В ходе испытаний системы на Красноярском транспортном узле были подтверждены её основные эксплуатационные характеристики:

- СКО определения местоположения - 0,35 м;

- СКО определения скорости движения - 0,05 м/с;

- задержка в получении информации о местоположении локомотивов не превышает 2 секунд.

Для реализации дифференциального (относительного) режима определения местоположения объектов необходима установка референцных станций. Постоянно действующая спутниковая референцная (базовая) станция - аппаратно-программный комплекс, предназначенный для обеспечения выполнения измерений и определения пространственного местоположения объектов путем предоставления информации для коррекции данных, получаемых с помощью спутниковых (ГНСС) навигационных и геодезических приемников, включающий спутниковое, коммуникационное, компьютерное и другое, оборудование, специализированное программное обеспечение, установленное в районе выполнения измерений и определения местоположения, частично зафиксированное в пространстве на постоянной основе и функционирующее непрерывно.

Постоянно действующая референцная станция включает в себя ГНСС приемник, спутниковую антенну, источник бесперебойного питания, средства связи, системы грозозащиты и молниеотводы которые устанавливаются стационарно на специально подготовленное место. Спутниковая антенна базовой станции жестко крепится на верху специального пилона, установленного на неподвижном основании аналогично пунктам геодезической основы. Координаты антенны определяются совместно и с одинаковой точностью с координатами пунктов опорного обоснования. Таким образом, спутниковая базовая станция является носителем системы координат строительного объекта, равноправным с традиционными геодезическими опорными пунктами.

Базовая станция может управляться автоматически и в удаленном доступе с персонального компьютера (ПК) и специализированного программного обеспечения. Она может работать автономно, без участия оператора. Референцная станция может работать автономно, без участия оператора. Она может формировать спутниковые данные для последующей обработки с данными полевых спутниковых измерений, а также спутниковые дифференциальные поправки для получения пользователями передвижных спутниковых приемников (роверов) для определения точных пространственных координат в реальном времени (RTK). Данные для постобработки могут архивироваться на жесткий диск компьютера базовой станции и передаваться по каналам связи на FTP-сервер для удаленного доступа. Пользователи подвижных приемников могут получать дифференциальные поправки по радиоканалам, высокоскоростным беспроводным сетям (GSM, GPRS, CDMA и др.) или через сеть Интернет.

Постоянно действующие спутниковые референцные станции устанавливаются в местах с наиболее благоприятными условиями приема спутниковых сигналов и в радиусе своей работы надежно обеспечивают корректирующим данными мобильные ГНСС приемники пользователей 24 часа в сутки, 365 дней в году. Одна базовая станция обеспечивает определение пространственных координат в режиме реального времени с сантиметровой точность в радиусе не более 25-30 км. Принципиально удаление ровера от базовой станции может быть большим, например 300 км. Несколько постоянно действующих спутниковых референцных станций, объединенных в опорную (реперную) сеть, могут обеспечивать работу на гораздо большей территории.

3. Выбор и обоснование принятого решения по ВКР

Согласно приказу № 285 Минтранса РФ от 31.06.2012 года, навигационные терминалы, устанавливаемые на транспортные средства категории М (коммерческие перевозки пассажиров), и категории N (перевозка опасных грузов) должны соответствовать следующим требованиям: работа в сетях сотовой связи GSM900/1800 и UMTS, определение местоположения транспортного средства с точностью 15 м с вероятностью 95 %, возможность установления двусторонней голосовой связи с диспетчером, возможность автономной работы от аккумулятора в течение часа, рабочий диапазон температур от ?40 до +85 С° [15]. С 2016 года эти требования распространятся на все автомобили.

С 1 января 2014 года в силу вступил закон "О Государственной автоматизированной информационной системе "ЭРА-ГЛОНАСС", в соответствии с которым транспорт категорий M и N подлежит обязательному оснащению навигационными терминалами с поддержкой системы ГЛОНАСС/GPS.

В использовании системы слежения за местоположением подвижных объектов проявили заинтересованность ряд ведомств и организаций (МВД, МПС и др.). Отдельно стоит отметить заинтересованность в приобретении средств мониторинга автотранспортными предприятиями.

Спутниковая система навигации представляет собой комплексную электронно-техническую систему, состоящую из совокупности наземного и космического оборудования, предназначенную для определения местоположения (географических координат и высоты), а также параметров движения (скорости и направления движения и т. д.) для наземных, водных и воздушных объектов.

Система состоит из двух основных частей: бортовой аппаратуры, которая устанавливается непосредственно на локомотив, и постовой аппаратуры.

3.1 Оборудование подвижных объектов

Тип передаваемой информации с локомотива - цифровой.

Терминалы, устанавливаемые на подвижные объекты, должны быть устойчивы к вибрационным воздействиям, иметь малые габариты, вес (не более 1 - 1,5 кг) и энергопотребление. Электропитание должно осуществляться от автономного источника.

Необходимо предусмотреть возможность автоматического срабатывания терминалов в аварийных ситуациях.

Терминалы должны обеспечивать бесперебойную работу в диапазоне температур от - 50 до +50 °С при влажности воздуха при 30 °С - 99%.

Антенны терминалов должны иметь малые габариты и обеспечивать бесперебойную связь при скорости ветра до 30 м/сек.

Данным требованиям удовлетворяет продукция Ижевского радиотехнического завода. Наиболее подходящим по техническим эксплуатационным (устойчивость к вибрации, высоким/низким температурам, напряжение питание совпадает с напряжением низковольтных электрических цепей локомотива) и коммутационным (совместимость pin-to-pinс локомотивными устройствами безопасности, сигнализации и регистрации параметров движения) свойствам.

Терминал мобильный ТМ4-3 (ТМ4-3/110) предназначен для работы в системе контроля мобильных объектов (СКМО) на железнодорожном транспорте, обеспечивающей удаленный контроль и управление транспортными средствами в режиме реального времени.

Возможноститерминала мобильного ТМ4-3:

- определение местоположения объекта по сигналам спутниковых навигационных систем (СНС): российской глобальной навигационной системы (ГЛОНАСС) и глобальной системы позиционирования США (GPS);

- контроль состояния объектов и грузов по состоянию пяти датчиков, имеющих на выходе высокий или низкий уровень сигнала, и трех датчиков тока;

- считывание данных по CAN-интерфейсу с системы охранно-пожарной безопасности и аппаратуры КЛУБ;

- передачу информации о местоположении, состоянии датчиков на объекте и телеметрической информации от аппаратуры КЛУБ в диспетчерский центр СКМО (ДЦ СКМО) по сети сотовой связи стандарта GSM с включенным сервисом пакетной передачи данных GPRS;

- управление по команде ДЦ СКМО четырьмя исполнительными устройствами, устанавливаемыми на объектах;

- запись во внутреннюю память не менее 1000 кадров информации при нарушении канала передачи данных и автоматическая их передача в ДЦ СКМО при восстановлении канала передачи данных;

- автоматическое определение оператора сотовой связи по установленной SIM-карте.

Таблица 3.1 - Технические характеристики ТМ4-3/110

Наименование

Значение

Используемые спутниковые навигационные системы

ГЛОНАСС, GPS

Передача данных в ДЦ СКМО осуществляется в случаях превышения лимита времени, при этом:

-- лимит времени устанавливается кратно 30 с в пределах, с

30--240

Передача данных в ДЦ СКМО осуществляется при срабатывании датчика

внеочередная

Передача данных в ДЦ СКМО осуществляется при срабатывании охранно-пожарной сигнализации

внеочередная

Таблица 3.2 - Электрические характеристики и конструктив ТМ4-3/110

Наименование

Значение

Напряжение источника электропитания ТМ4-3, В

38--65

Напряжение источника электропитания ТМ4-3/110, В

86--145

Потребляемая мощность, Вт, не более

6

Габаритные размеры, мм, не более:

-- терминал

240х170х50

-- антенна

Ш115х157

Масса, кг, не более:

-- терминал

0,6

-- антенна

1,1

Устройство терминала ТМ 4-3 показано на рисунке 3.1. Основной частью терминала мобильного является терминал ЦВИЯ.468157.078-04 (далее - блок терминала), который включает в себя навигационный приёмник, модуль модема GSM и контроллер.

1-Блок терминала; 2-Соединитель для подключения кабеля питания; 3-Кабель питания; 4,5-Соединитель для подключения к CAN шине; 6-Соединитель для подключениянавигационной антенны; 7-Соединитель для подключения антенныGSM; 8-Кабель CAN; 9-Заглушка CAN; 10-Пломба

Рисунок 3.1 - Внешний вид и интерфейсы терминала мобильного ТМ 4-3

К блоку терминала 1 подключается антенна, включающая в себя навигационную антенну и антенну GSM.

Подключение терминала к источнику электропитания осуществляется кабелем питания ЦВИЯ.685612.468, к шине CAN - кабелем CAN ЦВИЯ.685612.517.

Принцип работы терминала.

Терминал, устанавливаемый на объекте, по сигналам навигационных спутников вычисляет координаты местоположения объекта на основе эфемерид, контролирует состояние датчиков, установленных на объекте.

Эфемериды (в астрономии) - координаты небесных светил, параметры орбит спутников и другие переменные астрономические величины, вычисленные для ряда последовательных моментов времени и сведенные в таблицы.

Информация о местоположении и состоянии датчиков объекта передаётся в ДЦ СКМО по каналу передачи данных, качестве которого используется сеть сотовой связи стандарта GSM, поддерживающая сервис GPRS. В ДЦ СКМО информация обрабатывается, сохраняется в базе данных и отображается на мониторе рабочего места оператора на фоне электронной карты местности (либо цифровой модели железнодорожного пути).

Передача данных в ДЦ СКМО осуществляется в автоматическом режиме с заданным интервалом времени. При срабатывании любого из датчиков терминал формирует тревожное сообщение, которое передаётся в ДЦ СКМО. Монтаж и подключение терминала.

Перед установкой терминала следует определить места установки блока терминала, антенны и пути прокладки кабелей и проводов. При этом необходимо учитывать длину кабелей (длина кабелей указана в метрах):

- кабель антенны GSM (из состава антенны ЦВИЯ.464651.004) - 5 м;

- кабель навигационной антенны (из состава антенны ЦВИЯ.464651.004) - 5 м;

- кабель CAN - 5 м;

- кабель питания - 10 м.

Для установки блока терминала 1 (рисунок 3.1) необходимо выбрать место, защищённое от воздействия тепла, пыли, влаги, а также от возможных механических воздействий подвижных устройств и механизмов объекта перевозимым грузом или случайных действий водителя и пассажиров.

На рисунке 3.2 пунктиром показаны размеры места для размещения блока терминала 1.

Рисунок 3.2 - Размеры места для размещения блока терминала ТМ 4-3

При установке блока терминала 1 для обеспечения возможности подключения кабелей необходимо предусмотреть свободное пространство со стороны соединителей, расположенных на блоке терминала 1 (рисунок 3.1).

Блок терминала 1 (рисунок 3.1) закрепляется винтами из комплекта монтажных частей, в предварительно просверленные четыре отверстия диаметром 4 мм, как показано на рисунке 3.2.

Размещение антенны должно обеспечивать прямую радиовидимость сигналов навигационных спутников, для чего антенна не должна заслоняться металлическими и другими токопроводящими предметами и конструкциямисверху и с боковых сторон более, чем на 5°от горизонтальной плоскости.

Не допускается пережатие кабелей, деформирующее их сечение, а также перегибы с радиусом менее 15 мм.

На рисунке 3.3 пунктиром показаны размеры места для размещения антенны.

Рисунок 3.3 - Размеры места для размещения антенны терминала мобильного ТМ 4-3

3.2 Оборудование опорной сети СНС

Определение местоположения с помощью ГНСС абсолютным способом происходит методом пространственной засечки. Спутники выполняют роли опорных пунктов, координаты которых всегда известны (прогнозируются и вычисляются по эфемеридам) на каждый момент времени.

Координаты объекта находят способом засечек по измерениям расстояний до спутников ГНСС при помощи аппаратуры на земле.

Дальность при радиотехнических измерениях характеризуется временем распространения сигнала от объекта измерения до измерительного пункта. В навигационных системах GPS/ГЛОНАСС излучение сигналов синхронизировано со шкалой времени системы, точнее, со шкалой времени спутника, излучающего данный сигнал. В то же время, потребитель имеет информацию о расхождении шкалы времени спутника и системы. Цифровая информация, передаваемая со спутника, позволяет установить момент излучения некоторого фрагмента сигнала (метки времени) спутником в системном времени. Момент приёма этого фрагмента определяется по шкале времени приёмника. Шкала времени приёмника (потребителя) формируется с помощью кварцевых стандартов частоты, поэтому наблюдается постоянный «уход» шкалы времени приёмника относительно шкалы времени системы. При решении навигационной задачи этот параметр определяется наравне с координатами потребителя (приёмника).

Расстояние до спутника определяются по времени задержки радиосигнала, излученного спутником. ГНСС приемники используют точные часы, корректируемые по атомным часам спутников.

Для определения координат объекта необходимо знать координаты спутников (не менее 4) и дальность от объекта до каждого видимого спутника. Для того чтобы потребитель мог определить координаты спутников, излучаемые ими навигационные сигналы моделируются сообщениями о параметрах их движения. В аппаратуре потребителя происходит выделение этих сообщений и определение координат спутников на нужный момент времени.

Координаты и составляющие вектора скорости меняются очень быстро, поэтому сообщения о параметрах движения спутников содержат сведения не об их координатах и составляющих вектора скорости, а информацию о параметрах некоторой модели, аппроксимирующей траекторию движения КА на достаточно большом интервале времени (около 30 минут). Параметры аппроксимирующей модели меняются достаточно медленно, и их можно считать постоянными на интервале аппроксимации.

Точность определения координат абсолютным способом с помощью ГНСС составляет несколько метров.

Там где данная точность недостаточна, например, при выполнении геодезических измерений, кадастре объектов недвижимости, маркшейдерских съемок требуется применение дифференциальной методики (относительного метода) для определения местоположения с большей точностью. Данный метод подразумевает использование опорного (базового, референцного) приемника ГНСС для получения уточняющей корректирующей информации (дифференциальных поправок).

Разработано множество алгоритмов дифференциальной коррекции, позволяющие определять координаты, расстояния на местности между точками с точностью до см, долей мм. Измерения могут выполняться в двух режимах: с накоплением спутниковых данных и их последующей обработкой для получения результатов или в режиме реального времени, когда спутниковые дифференциальные поправки передаются от опорного приемника до перемещаемого по каналам связи (радио, сотовая связь, интернет). Расстояние от референцного (опорного) приемника может быть до нескольких десятков, сотен и даже тысяч километров в зависимости от требуемой точности определения положения (координат).

Дифференциальный режим позволяет установить координаты с точностью до 3 м в динамической навигационной обстановке и до 1 м - в стационарных условиях. Дифференциальный режим реализуется с помощью контрольного СРН-приёмника, называемого опорной станцией. Она располагается в пункте с известными координатами, в том же районе, что и основной СРН-приёмник. Сравнивая известные координаты (полученные в результате прецизионной геодезической съёмки) с измеренными, опорная станция вычисляет поправки, которые передаются потребителям по радиоканалу в заранее оговоренном формате.

Аппаратура потребителя принимает от опорной станции дифференциальные поправки и учитывает их при определении местонахождения потребителя.

Одиночная базовая станция обеспечивает определение пространственных координат в режиме реального времени с сантиметровой точность в радиусе не более 30-50 км. Поэтому сеть референцных станций должна развиваться, по возможности, равносторонними треугольниками со стороной не более 100 км. Такая схема построения сети обеспечивает наиболее целостное покрытие территории координатно-временными данными с минимальными капиталовложениями. Из геометрии - площадь такого треугольника занимает 5 тыс.кмІ.

В целях исключения ошибок, вносимых искажениями в атмосфере, а также нарастающей погрешности от удаления от ближайшей РС создается реально-временная модель ошибок и корректирующих поправок на основе данных нескольких РС и знаний об их точном положении. Такая модель подразумевает совместное уравнивание данных со всех РС и вычисление поля дифференциальных поправок на всю территорию покрытия сети.

Совместное уравнивание данных со всех РС позволяет получить сетевые поправки (поле поправок), которые могут тут же транслироваться по каналам связи на перемещаемый приемник (ровер). С помощью соответствующей функции приемника пользователь сможет получить точные координаты своего положения с учетом уравненных поправок с одинаковой точностью и надежностью в любом месте покрытия сети.

Данные для расчета поля поправок должны поступать с каждой РС в центр обработки постоянно и непрерывно. Контроль работы нескольких РС, расположенных на обширной территории, эффективней с единого центра управления (ЦУ). Таким образом, данная структура представляет собой сеть референцных станций, единообразно управляемая для создания единого поля корректирующих поправок всем пользователям (рисунок 3.4).

Рисунок 3.4- Геодезическая опорная (реперная) сеть

Централизованное управление и сбор данных с нескольких РС в центре управления позволяет с помощью специализированного программного обеспечения одновременно создавать дифференциальные поправки различным пользователям с различным уровнем точности и периодичности, архивации данных для последующей обработки, организации системы доступа по различным каналам связи, т. е. оказывать сервис точного позиционирования на основе спутниковых навигационных технологий. Такую систему сейчас называют спутниковой системой точного позиционирования (СТП).

Благодаря сетевому способу формирования дифференциальных поправок пользователь может надежно получать координаты с точностью до см на удалениях от РС до 50 км, а расстояние между станциями может быть до 80 км. Таким образом, при использовании данных спутниковых СТП в топографических и кадастровых съемках, геодезических измерениях нет необходимости прокладки теодолитных, полигонометрических ходов, создания переходных опорных пунктов.

Это существенно сокращает расходы на выполнения измерений (транспорт, износ оборудования, человеческих ресурс, накладные расходы) сокращает время выполнения работ, обеспечивает предоставление пространственных результатов в цифровом виде в едином координатно-временном поле на обширных территориях. Существенно сокращается расходы на создание опорного обоснования (опорной межевой сети) и поддержании ее в рабочем состоянии.

Состав Спутниковой СТП включает в себя несколько компонентов, каждый из которых по своему важен:

- сеть постоянно-действующих референцных станций, закрепленных наземных пунктов с установленной спутниковой аппаратурой, системой непрерывного электропитания и т. д.;

- центр управления системой, ядро которого является сервер со специализированными программным обеспечением;

- каналы коммуникации (линий связи) для связи центра управления с референцными станциями и потребителями данных;

- каталог точных координат станций, набор параметров перехода из спутниковых систем координат WGS-84 и ПЗ-90 в государственную и местную систему координат (МСК), модель квазигеоида, единое время;

- заинтересованные потребители;

- приемная аппаратура пользователей;

- бизнес модель, включающая в себя технические и коммерческие решения для обеспечения непрерывности работы системы, качества предоставляемых данных и обслуживания потребителей, возврат постоянных текущих затрат и возможно инвестиций на создание и модернизацию в будущем.

Преимущества спутниковой системы точного позиционирования очевидны, но есть как плюсы, так и минусы, если можно так назвать необходимые требования по созданию по поддержанию работы системы.

Положительные стороны:

- единое координатно-временное поле;

- единое управление и координация, единая организационная структура;

- сокращение расходов на развитие и содержание наземного опорного обоснования;

- сокращение расходов и времени на полевые измерения и съемки;

- предоставление данных в современном трехмерном цифровом виде;

- требует от исполнителей совершенствования современных знаний и навыков;

- позволяет предоставлять услуги не только для съемок и измерений точных координат точек, линий, полигонов в геодезии, топографии, кадастре, строительстве, но и навигации транспортных средств, диспетчеризации перевозок грузов, позиционирования объектов (кранов, вагонов, цистерн, танкеров, плавучих буровых платформ и др.), постоянного мониторинга деформации зданий и сооружений.

Отрицательные стороны:

- большие первоначальные затраты на создание единой системы;

- необходимость наличия постоянной структуры, поддерживающей работу системы;

- необходимость постоянного технического поддержания (оборудование станций, каналы связи, оборудования центра управления);

- необходимость выделения постоянных средств на непрерывную и стабильную работу каналов связи.

Компания LeicaGeosystems AG, (Швейцария) - мировой лидер в разработке технологий и производстве геодезических приборов для выполнения топографических съемок, картографирования, спутниковой навигации, управления дорожно-строительной техникой, кадастровых съемок, мониторинга деформаций несущих конструкций и др.

Постоянно действующая референцная станция LeicaGeosystems включает в себя ГНСС приемник, спутниковую антенну, источник бесперебойного питания, средства связи, которые устанавливаются стационарно на специально подготовленное место. РС может управляться автоматически с персонального компьютера (ПК) и специализированного программного обеспечения. Она может работать автономно, без участия оператора. Станция может формировать спутниковые данные для постобработки с данными полевых спутниковых измерений, а также спутниковые дифференциальные поправки для получения пользователями передвижных спутниковых приемников (роверов) точных пространственных координат в реальном времени(RTK). Данные для постобработки могут архивироваться на жесткий диск компьютера базовой станции и передаваться по каналам связи на FTP-сервер для удаленного доступа. Пользователи подвижных приемников могут получать дифференциальные поправки по радио каналам, высокоскоростным беспроводным сетям (GSM, GPRS, CDMA и др.) или через сеть Интернет.

Именно базовые станции от LeicaGeosystems и устанавливаются в субъектах Российской Федерации в рамках Федеральной программы формирования Государственной автоматизированной информационной системы "ЭРА-ГЛОНАСС». Установка базовых (референцных) станций финансируется из федерального бюджета и контролируется органами исполнительной власти субъектов Российской Федерации.