Автоматизированное управление транспортом на основе системы спутниковой навигации ГЛОНАСС

СИ. Долганюк

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ТРАНСПОРТОМ НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ СПУТНИКОВОЙ НАВИГАЦИИ ГЛОНАСС

Одной из наиболее важных задач в сфере контроля и мониторинга транспорта является определение местоположения. На данный момент времени использование спутниковой навигации является уже неотъемлемой частью систем автоматизированного управления мобильными объектами. К сожалению, автономная работа российской системы ГЛОНАСС не всегда и везде возможна по ряду причин, главной из которых является неполноценность группировки спутников. Тем не менее, ведутся работы по запуску новых космических аппаратов, и в ближайшие несколько лет ГЛОНАСС сможет существовать полноценно, а российский рынок наполниться дешевыми навигационными приемниками для решения широкого спектра задач. И наиболее востребованной сферой деятельности в этом направлении будет транспорт. Ключевые слова: цифровая модель путевого развития, глобальная навигационная спутниковая система, глонасс, автоматизированное управление транспортом, группировка спутников, спутниковая навигация на железных дорогах

Принцип глобального позиционирования

Гуиже приведен общий алгоритм определения местополо-

И жения с использованием спутниковых навигационных систем. Процесс определения координат происходит в несколько этапов:

1. Измерение расстояний до каждого из спутников по дально-мерным кодам с определенной частотой (наблюдение).

2. Определение координат спутников на момент наблюдения по навигационным сообщениям, которые модулируются в излучаемый сигнал.

3. Коррекция измеренных дальностей, используя модели атмосферных задержек и поправки во времени.

4. Вычисление координат потребителя на момент наблюдения, используя вычисленные дальности до спутников и их координаты.

Поскольку используется трехмерная система координат, то для математического решения необходимо 3 спутника при условии синхронизации часов спутников и приемника, однако, использо-

вать точные часы на приемнике дорого и экономически невыгодно. Поэтому в навигационном решении необходимо учитывать четвертый спутник, что позволяет составить четвертое геометрическое уравнение и значение рассинхронизации брать как новую неизвестную. В результате можно, определять еще и точное время. Таким образом, для обеспечения хорошего позиционирования необходимо принимать сигнал минимум от четырех спутников.

В действительности, чем больше спутников в области видимости, тем лучше и точнее можно определять местоположение. Г ово-ря математически, при фиксированном количестве неизвестных (их в общем случае четыре) увеличение количества уравнений улучшает результат задачи оценки координат, поскольку решение навигационной задачи по методу наименьших квадратов по мере увеличения спутников будет приближать вычисленные координаты к истинным.

Система ГЛОНАСС

ГЛОНАСС (Глобальная Навигационная Спутниковая Система) - это спутниковая радионавигационная система, позволяющая неограниченному числу потребителей в любой точке Земли и воздушного пространства определять с высокой точностью свои координаты, скорость движения и точное время. Полностью развернутая орбитальная группировка ГЛОНАСС состоит из 24 космических аппаратов, размещенных в трех орбитальных плоскостях.

Плоскости разнесены по долготе на 120 градусов и сдвинуты относительно друг друга по аргументу широты на 15 градусов. В

каждой плоскости размещены по восемь спутников с равномерным сдвигом по аргументу широты 45 градусов. Спутники расположены на круговых орбитах с наклонением 64.8 градуса и периодом обращения, примерно равным 11 часов 15 минут. Такая конфигурация орбитальной группировки позволяет обеспечивать постоянное присутствие как мини-

мум 5 спутников с приемлемой геометрией созвездия в зоне видимости потребителя, находящегося в любой точке Земли и околоземного пространства.

Покрытие системы ГЛОНАСС и области применения

Сейчас система ГЛОНАСС содержит в своей группировке 19 спутников, 15 из которых в рабочем состоянии. Для полноценной работы системы на территории РФ необходимо минимум 18. Таким образом, система ГЛОНАСС не является на данный момент до конца укомплектованной, однако, на 2010-2012 г.г. планируется запуск новых космических аппаратов с расчетом уже на полную группировку в размере 24 спутников.

Области использования системы ГЛОНАСС обширны и разнообразны. Среди них можно выделить следующие:

• Организация воздушного и морского движения, повышение безопасности полетов и мореплавания.

• Геодезия и картография, составление земельных и лесных кадастров, строительство дорог, прокладка коммуникаций и трубопроводов контроль сейсмически опасных районов, геология и разведка полезных ископаемых, разработка нефтяных и газовых месторождений на участках прибрежных шельфов, определение параметров вращения Земли и т.д.

• Мониторинг наземного транспорта, организация и управление движением грузов, междугородним железнодорожным и автотранспортом, создание «интеллектуальных» транспортных средств.

• Синхронизация шкал времени удаленных друг от друга объектов.

• Экологический мониторинг

• Организация поисково-спасательных работ.

Применение ГЛОНАСС в транспортной сфере

Водный транспорт

Как уже было отмечено, для определения координат необходимо обеспечить видимость минимум четырех спутников. В действительности, если одна из координат заранее известна (широта, долгота или высота), то количество спутников может быть и меньше. Например, если объект движется, по заданной широте на опре-

деленной высоте, то для позиционирования достаточно двух спутников, чтобы вычислить долготу и рассинхронизацию часов приемника.

Для морского транспорта высота над уровнем моря заранее известна, поэтому необходимое количество спутников для определения местоположения равно трем. Это во многом облегчает задачу, поскольку система ГЛОНАСС не везде обеспечивает видимость четырех спутников, зато область покрытия тремя из них намного выше, что обеспечивает более непрерывный контроль координат. А использование инерциальных систем может быть использовано для отслеживания координаты в случае кратковременной потери видимости трех спутников. Важно также отметить, что навигация на воде традиционно не имеет высоких требований к точности, поэтому использование ГЛОНАСС даже в не полной группировке способно легко решать поставленные задачи. В середине 90-х годов система ГЛОНАСС была принята на вооружение военно-морскими силами.

Авиатранспорт

В авиапромышленности система спутниковой навигации играет также важную роль: в основном задача спутниковых систем в данной сфере - это задача мониторинга. Как и в случае с водным транспортом, требования к точности не очень высоки, поэтому использование инерциальных систем (все самолеты оборудованы гироскопами) и видимость небольшого числа спутников достаточно для задачи слежения за координатой.

Автомобильный транспорт

Сейчас практически каждый КПК снабжен GPS/ ГЛОНАСС чипом, который позволяет в режиме реального времени с точностью порядка десяти метров определять свое местоположение в глобальной системе координат. Также выпускаются огромными тиражами автомобильные навигаторы, оснащенные электронным носителем с множеством электронных карт автомобильных дорог. В России планируется выпуск большой партии ГЛОНАСС навигаторов (без GPS), что позволит уже в ближайшем будущем в любой момент времени определять свое местонахождение в любой точке страны.

Также важно отметить, что магистральные грузовые перевозки автотранспортом стали контролироваться с использова-

нием навигационных систем, ключевой из которых стала спутниковая. Благодаря этому решаются важные логистические задачи с целью оптимизации маршрутов и перевозок в целом.

Железнодорожный транспорт

На железнодорожном транспорте система спутниковой навигации является на данный момент одной из наиболее важных подсистем автоматизированного контроля за мобильными объектами. Можно выделить следующие ключевые задачи, которые решаются с применением глобального позиционирования:

• Статическая съемка для геодезических работ с целью создания электронных карт путевого развития страны с высокой (сантиметровой) точностью.

• Задача мониторинга. Отслеживание и дальнейший анализ положения пассажирских и грузовых поездов с целью оптимизации маршрутов и выявление простоев и лишнего расхода энергии (топлива). Для решения этой задачи не требуется высокой точности, а с учетом заранее известных траекторий (цифровых моделей) существует возможность моделирования движения при использовании минимального количества спутников в области видимости.

• Задача развертывания сети дифференциальных станций для увеличения точности позиционирования в зонах повышенного движения.

• Задача контроля положения обслуживающего персонала на станции (составители, электромеханики, путейцы), снабженного коммуникаторами со встроенным навигационным приемником для обеспечения оптимальной работы и безопасности проводимых работ.

• Задача контроля локомотивов на сортировочных станциях. При определении местоположения маневровых локомотивов на станциях требования к точности значительно возрастают. На данный момент спутниковая навигация реализована в режиме ГЛО-НАСС+GPS, поскольку точности только российской системы пока недостаточно. Однако, в ближайшее время (2-5 лет) планируется переход только на ГЛОНАСС. А при использовании сети дифференциальных станций и точных цифровых моделей ожидаемая точность не должна превышать метра, чего вполне достаточно для решения задачи безопасности при маневровых работах.

Сейчас все вышеперечисленные задачи частично реализованы и будут совершенствоваться мо мере пополнения группировки ГЛОНАСС. Железная дорога уделяет особое внимание задачам безопасности и автоматизированного управления маневровыми локомотивами. На данный момент запущена в постоянную эксплуатацию система автоматизированного контроля локомотивами на сортировочных станциях на нескольких станциях. Благодаря использованию системы ГЛОНАСС удалось решить проблемы проезда светофоров с запрещающим показанием и контроля превышений допустимой скорости, осуществить мощную информационную поддержку машинистов и дежурных по станции с целью оптимизации маневровых работ, разработать задачу полуавтоматического управления локомотивом Также, в рамках этой системы решается задача централизованного сбора протоколов для контроля работы персонала и эффективности работы станций.

Заключение

Система ГЛОНАСС, по мнению автора, сейчас имеет два недостатка:

• Неполноценная группировка спутников, что не всегда обеспечивает видимость необходимого количества спутников.

• Частотное мультиплексирование (в GPS - кодовое разделение). Подобный подход делает современные ГЛОНАСС навигационные приемники более дорогими.

Несмотря на это, группировка ГЛОНАСС будет пополнена, а развитие и тиражирование российских навигационных чипов должно значительно удешевить стоимость приемников. При этом ожидаемая точность позиционирования по дальномерным кодам будет иметь метровую точность, чего достаточно для решения практически любых прикладных задач. ----------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Серапинас Б.Б. «Глобальные системы позиционирования»: Учеб. изд., ИКФ «Каталог», Москва, 2002 г.

2. Соловьев Ю.А. «Системы спутниковой навигации», - М.: Эко-Трендз, 2000 г.

3. Карлащук В.И., Карлащук С.В. Спутниковая навигация. Методы и средства. Солон-Пресс, 2006 г.

4. www.navgeocom.ni ЕШ

— Коротко об авторе ----------------------------

Долганюк С.И. - аспирант кафедры АСУ, wld_h@mail.ru; 0x03F8@gmail.com Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru

A