СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ПО РАДИОКАНАЛУ

ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ПО РАДИОКАНАЛУ
Область техники
Данное техническое решение относится к области вычислительной техники и техники связи, а именно, к системам передачи информации по радиоканалу о координатах подвижного объекта.
Уровень техники
В настоящее время у многих ведомств и организаций возникает необходимость оперативного слежения за местоположением подвижных объектов.
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 являются несовершенными, обладают малой степенью автоматизации и дорогостоящие.
Отсюда правомерна постановка задачи о внедрении новых надежных технических средств, которые позволили бы осуществлять автоматизированный сбор диспетчерской информации с подвижных объектов.
СИСТЕМА
Создание такой системы позволит обеспечить автоматизированньш сбор информации о дислокации подвижных объектов, обслуживаемых в рамках данной системы вне зависимости от их местоположения. При этом средства системы будут автоматически вычислять географические координаты местоположения объектов и направлять их в соответствующие диспетчерские пункты.
Проведенные исследования показали, что имеются следующие основные категории потенциальных пользователей, заинтересованных в получении оперативной информации с подвижных и стационарных объектов:
администрации, эксплуатирующие морские и речные суда;
организации, эксплуатирующие подвижной железнодорожный состав и специальные средства;
организации, эксплуатирующие подвижные автомобильные объекты;
научные организации, проводящие с помощью подвижных технических средств изучение мирового океана и воздушного пространства;
организации, эксплуатирующие магистральные трубопроводы и иные удаленные объекты;
предприятия топливно-энергетического комплекса;
администрации, осуществляющие контроль за состоянием окружающей среды;
сельскохозяйственные предприятия;
коммерческие структуры.
Анализ требований потенциальных пользователей к системам сбора оперативной информации позволил определить следующее:
j|:fi/15M3
J(i Л.
- 2 местоположения объекта, не требующего вмешательства оператора в работу устройств, при этом требования к точности определения местоположения варьируются от нескольких метров до десятков километров;
требования к оперативности доставки информации от подвижного объекта до пункта сбора данных пользователя изменяются от нескольких минут до нескольких часов;
количество определений - от нескольких раз в месяц до нескольких раз в минуту;
необходимость применения простых и недорогостоящих оконечных устройств пользователей, которые при необходимости могли бы работать от автономных источников питания.
Основные требования к системе передачи информации о координатах подвижного объекта по радиоканалу
Система должна обеспечивать возможность слежения за передвижением подвижных объектов в реальном масштабе времени с точностью определения местоположения до 50 - 400 метров.
В состав системы должны входить главный и диспетчерский центры, в которые информация от объекта должна поступать одновременно.
Тип передаваемой информации - цифровой.
Устройства, устанавливаемые на подвижные объекты, должны быть устойчивы к вибрационным воздействиям, иметь малые габариты, вес и энергопотребление. Электропитание должно осуществляться от автономного источника.
245
- 3 Антенны, устанавливаемые на подвижные объекты, должны иметь малые габариты и обеспечивать бесперебойную связь при скорости ветра до 30 м/с, иметь либо ненаправленную, либо слабонаправленную диаграммы направленности и обладать небольшими физическими габаритами (передача информационных и сигнальных сообщений осуществляется в пакетной форме).
Подвижный обьект должен быть оборудован GPS-приемником (Global Positioning System) для определения местоположения подвижного объекта (погрешность в определении местоположения составляет десятки метров, связь осуществляется при любых погодных условиях и атмосферных явлениях автоматически).
В системе должны эксплуатироваться комплексы, базирующиеся на использовании типового персонального компьютера, позволяющие отображать движение транспортных средств по территории области на экране монитора с помощью электронных карт. На электронные карты пользователь может наносить необходимую ему информацию самостоятельно как в виде пометок на карте, так и при помощи прикладных баз данных.
Информация должна передаваться по радиоканалу с помощью радиостанций Энергия.
Использование контрольной суммы на приеме (код циклического контроля) должно обеспечить высокий уровень защиты от помех, а передача информации несколько раз в интервал времени от 1 до 10 минут - достоверность.
Аналогом данного технического решения является система с применением GPS-приемника ЗАО Компании Информационная индустрия, работающего совместно с радиостанциями фирмы Motorola, и предназначенного для определения точного местоположения абонентов сетей радиосвязи (В.П.Николаев Новинки профессиональной радиосвязи для силовых структур и правоохранительных органов, журнал Технологии и средства связи, 6/2001. с. 44).
Недостатком данного технического решения является невозможность использования в системе огромного парка радиостанций Энергия, являющейся унифицированной для РАО ЕЭС России.
Аналогом данного технического решения является также Интегрированная навигационная система ИНС-КОНТРОЛЬ. предназначенная для контроля и управления маршрутным транспортом, контроля перевозок груза и его состояния, оптимизации работы патрульных и аварийных служб (В.Г.Соколов, А.Д.Кухарев. Р.М.Шарифуллин Электронные системы управления пассажирским транспортом, журнал Технологии и средства связи, 4/1999. с. 66).
Система использует GPS-приемники и ГЛОНАСС/GPS.
Недостатком данного аналога является дороговизна оборудования и его несовместимость с техническими средствами, имеющимися в электроэнергетике (РАО ЕЭС России).
Ближайшим аналогом (прототипом) заявляемого технического решения является A-GPS (Assisted Global Positioning System) (технология совмещения сотовых телефонов с приемниками спутниковой навигации, основанная на встраивании GPS-приемников в мобильные телефоны). Информация о местоположении абонентов передается по каналам сотовых систем в виде специальных или стандартных коротких сообщений (источник В.П. Николаев Позиционирование подвижных обьектов в сетях связи, журнал Технологии и средства связи, 2/2002. с. 50).
- 5 Недостатки, присущие глобальной системе позиционирования GPS, следующие:
во-первых, несмотря на глобальность покрытия, определение координат производится только при прямой видимости GPS-приемником не менее трех спутников. Поэтому определение местоположения зачастую невозможно в закрытых помещениях, при плотной городской застройке, в низинах или под густой листвой;
во-вторых, GPS-приемники требуют длительной процедуры начальной установки: для приведения приемника в состояние готовности или получения первого отсчета после включения питания может потребоваться 30-90 с, а в некоторых случаях и больше.
Кроме того, такие системы, как правило, дороги и громоздки. Примененная в них аппаратура не имеет предыстории и не позволяет использовать имеющийся парк средств радиосвязи и вычислительной техники (существующий задел).
Сущность полезной модели
Известная система передачи информации по радиоканалу содержит размещенные на центральном пункте приемную радиостанцию (ПРМ) с микротелефонной гарнитурой (МТФ-гарнитурой) и персональную электронную вычислительную машину (ПЭВМ) и находящиеся у каждого из абонентов передающие радиостанции (ПРД) с МТФ-гарнитурой и GPS-приемники.
Целью данного технического решения является создание система передачи информации по радиоканалу на базе существующего в электроэнергетике парка используемых радиосредств и вычислительной техники для определения координат движущихся объектов и отображения их местоположения на цифровой электронной карте на - 6 центральном диспетчерском пункте.
Доработки технических средств должны быть минимальными, иметь небольшие массогабаритные параметры и энергопотребление.
Для достижения поставленной цели система передачи информации по радиоканалу дополнительно содержит на центральном пункте демодулятор, соединенный по входной цепи с выходом приемной радиостанции (ПРМ), а по выходу по интерфейсу RS-232 с ПЭВМ, а у каждого абонента модулятор, первый вход которого соединен с выходом GPS-приемника, выход и второй вход соответственно с входом и первым выходом передающей радиостанции (ПРД), а третий вход с вторым выходом МТФ-гарнитуры, подключенной к передающей радиостанции (ПРД).
Размещенный на центральном пункте демодулятор содержит последовательно соединенные блок фильтров, частотный детектор и узел гальванической развязки, вход блока фильтров является входом модулятора, соединенным с приемной радиостанцией (ПРМ), а выход узла гальванической развязки является выходом модулятора, соединенным по интерфейсу RS-232 с ПЭВМ.
Находящийся у абонента модулятор содержит формирователь сигналов, вход которого является первым входом модулятора, соединенным с выходом GPS-приемника, микроконтроллер, первый вход которого соединен по стыку RS-232 с выходом формирователя сигнала, цифро-аналоговый преобразователь, вход которого соединен с первым выходом микроконтроллера, блок коммутаторов, два первых входа которого соединены соответственно с выходом цифро-аналогового преобразователя и вторым выходом микроконтроллера, а выход является выходом модулятора, соединенного со входом передающей радиостанции (ПРД), а третий вход является третьим входом моду шт л
- 7 лятора, соединенным с вторым выходом МТФ-гарнитуры, усилитель-ограничитель, выход которого соединен со вторым входом микроконтроллера, а вход является вторым входом модулятора, соединенным с первым выходом передающей радиостанции (ПРД), органы управления и индикации, выход которых соединен с третьим входом микроконтроллера.
Перечень ФИГУР, чертежей и иных материалов
На фиг. 1 приведена структурная схема системы передачи информации по радиоканалу.
На фиг. 2 приведена принципиальная электрическая схема модулятора.
На фиг. 3 приведена принципиальная электрическая схема демодулятора.
На фиг. 4 приведен общий вид комплекта аппаратуры (модулятор и демодулятор).
Пример варианта выполнения устройства
Система передачи информации по радиоканалу (фиг. 1,2,3,4) содержит GPS-приемник 1, передающую радиостанцию (ПРД) 2, приемную радиостанцию (ПРМ) 3, микротелефонную гарнитуру (МТФ-гарнитуру) 4, персональную электронную вычислительную машину (ПЭВМ) 5, модулятор (МД) 6, демодулятор (ДМД) 7. Модулятор 6 содержит формирователь сигнала (ФС) 8, микроконтроллер (МК) 9, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 10, блок коммутаторов (БК) И, усилитель-ограничитель (УО) 12, органы управления и индикации (ОУИ) 13. Демодулятор (ДМД) 7 содержит блок фильтров (БФ) 14, частотный детектор (ЧД) 15, узел гальванической развязки (УГР)
- 8 16. Подключение модулятора 6 (формирователя сигнала 8) к GPS-приемнику осуществляется через интерфейс 17 по протоколу NMEA0183, демодулятора 7 (узла гальванической развязки 16) к ПЭВМ 5 через интерфейс RS-232 19. Интерфейс RS-232 19 используется для сопряжения блоков формирователя сигнала 8 и микроконтроллера 9 в модуляторе 6. Упрощенный интерфейс RS-232 18 реализован для передачи информации между формирователем сигнала 8 и микроконтроллером 9.
Система предназначена для передачи информации по радиоканалу о координатах подвижного объекта. Система содержит GPS-приемник 1, передающую радиостанцию 2 с МТФ-гарнитурой, приемную радиостанцию 3 с МТФ-гарнитурой. персональную ЭВМ 5 и два устройства: модулятор 6 и демодулятор 7. Модулятор предназначен для сопряжения GPS-приемника 1 с передающей радиостанцией 2 и преобразования цифрового сигнала протокола NMEA0183 от GPS-приемника в код RS-232 и передачи его на радиостанцию и далее на диспетчерский центр. Демодулятор 7 предназначен для сопряжения приемной радиостанции 3 с ПЭВМ 5 (для нанесения данных об объекте на цифровую карту местности) и обеспечивает прием от принимающей радиостанции информации в виде частотно-модулированных сигналов, и преобразования их в цифровую форму и передачи их через гальваническую развязку и интерфейс RS-232 на вход СОМ-порта ПЭВМ. Модулятор 6 содержит следующие блоки:
формирователь сигнала (ФС) 8;
микроконтроллер (МК) 9;
цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 10:
- 9 - 10
органы управления и индикации (ОУИ) 13.
Демодулятор 7 содержит следующие блоки: блок фильтров (БФ) 14; частотный детектор (ЧД) 15; узел гальванической развязки (УГР) 16.
GPS-приемник 1 предназначен для приема от нескольких (от трех для определения двумерных координат и четырех для трехмерных координат) спутников сигнала, который содержит информацию о состоянии спутника, его номер и эталонное время. По ним GPS-приемник определяет расстояние до спутников, строит проекцию и определяет свое местоположение на местности, рассчитывает скорость и направление движения объекта, а также на дисплее приемника отображает точное время, количество спутников, находящихся в радиусе приема сигнала.
Формирователь сигнала 8 предназначен для преобразования сигнала по протоколу NMEA0183 с уровнями напряжения лог. О, равным -12 В. и лог. 1, равным +12 В, в сигнал, идентичный входному, но с уровнями напряжения лог. 1, равным +5 В., а лог. О, равным О В.
На усилитель-ограничитель (УО) 12 через радиостанцию по телефонному каналу (ТЛФ) поступают команды для управления работой микроконтроллера.
Микротелефонная гарнитура (МТФ-гарнитура) 4 или обычная телефонная трубка предназначена для прослушивания сообщений, передаваемых через радиоэфир, а также для обеспечения служебных переговоров. Телефонный канал может служить и для передачи управляющих сигналов для микроконтроллера 9.
ной принудительной передачи имеющейся информации в любой момент времени. Для этого служит кнопка Пуск модулятора. Передача осуществляется после нажатия кнопки, время удержания кнопки в нажатом состоянии не менее 1с.
Кнопка Сброс модулятора 6 предназначена для приведения в исходное состояние микроконтроллера, входящего в состав модулятора 6. При нажатии этой кнопки происходит переход модулятора 6 из режима передачи в состояние ожидания поступления информации от GPS-приемника.
Для проверки работоспособности модулятора предназначен встроенный тест, запускаемый при отсутствии GPS-приемника 1 или при отсутствии достоверной информации о координатах в GPS-приемнике 1. Для осуществления тестовой проверки необходимо нажать кнопку Пуск (, удерживая ее в нажатом состоянии, кратковременно нажать кнопку Сброс. Пока кнопка Пуск нажата, модулятор будет многократно передавать специальную тестовую строку данных.
Индикатор передачи данных (ПРД) сигнализирует о том, что в этот момент времени осуществляется передача данных.
Микроконтроллер (МК) 9 выполняет следующие функции:
обработку данных, поступающих от различных органов этого модулятора;
обеспечивает связь между различными модулями системы;
управляет передачей данных другим блокам;
организует гибкое управление модулями.
Микроконтроллер 9 принимает сигнал от GPS-приемника 1 и преобразует его. Выделяет из этого сигнала нужную информацию, обрабатывает ее. Сохраняет информацию и передает ее на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Управляет работой блока
- и коммутаторов 11. т.е. посылает сигнал на коммутатор, который отключает ТЛФ канал от радиостанции и подключает к ней ЦАП 10.
Анализирует состояние органов управления. Если кнопка Пуск нажата, то МК переводится в состояние для принудительной передачи данных.
Блок коммутаторов И под управлением микроконтроллера обеспечивает переключение нескольких информационных линий сопряжения с радиостанцией.
Приемная радиостанция (ПРМ) 3 осуществляет передачу и прием сигнала через радиоканал и постоянным напряжением +5 В. модулятор 6 и демодулятор 7.
Сигнал, пришедший с радиостанции 3. попадает на блок фильтров (БФ) 14. входящий в состав демодулятора 7. БФ 14 производит частотную фильтрацию, пропуская сигнал с частотой только в диапазоне от 1200 до 2200 Гц.
Частотный детектор (ЧД) 15 служит джля детектирования частотно-модулированного сигнала. На его выходе устанавливается логический ноль при поступлении на вход частоты 1200 Гц и логическая единица при частоте 2200 Гц.
Узел гальванической развязки (УГР) 16 осуществляет развязку демодулятора с последовательным портом ПЭВМ 5 с помощью оптического оптрона для снижения уровня помех и повышения безопасности от паразитных сигналов, неблаготворно влияющих на быстродействие ПЭВМ.
Персональная электронная вычислительная машина (ПЭВМ) 5 типа IBM/PC производит обработку, хранение информации и нанесение местоположения объекта на цифровую карту местности с помощью Геоинформационной системы (ГИС) ArcView CIS 3.0.
- 12 Программная часть состоит из следующих элементов:
программа для PIC-микроконтроллера. используемого в модуляторе, обеспечивает прием информации о местоположении подвижного объекта с GPS-приемника и дальнейшее ее преобразование для передачи по радиоканалу;
операционная система Windows 95/98 обеспечивает взаимодействие программных приложений;
программа преобразования принятой информации, обеспечивает преобразование информации о местоположении подвижного объекта в вид. требуемый для ArcView GIS 3.0;
ГИС-приложение ArcVlew GIS 3.0. обеспечивает ввод данных при сборе информации, визуальный контроль данных при вводе, преобразование данных и их хранение, работу с картографической основой, обработку данных для вывода в твердой копии;
программное приложение под ArcVlew GIS 3.О для данной задачи, выполняющее функции пересчета получаемых геокоординат в требуемые значения для нанесения на цифровую карту, и автоматизацию ввода атрибутивных данных при замерах.
Работа системы сводится к следующему. Информация о координатах подвижного объекта передается по радиоканалу с помощью десятиваттной радиостанции Энергия. Передающая радиостанция Энергия размещается в салоне легкового или грузового автомобиля при помощи кассеты в удобном для эксплуатации месте. Приемопередатчик соединяется с микротелефонной гарнитурой, и образовавшийся блок вставляется в кассету.
В разрыв микротелефонной трубки включается модулятор, соединенный с GPS-приемником. Питание осуществляется от бортовой сети. GPS-приемник и антенна возимой радиостанции закрепляются
- 13 на кузове. Предпочтительным местом установки антенны с целью обеспечения круговой диаграммы направленности является геометрический центр кузова. Принимающая радиостанция Энергия размещается в диспетчерской. Антенна устанавливается как можно выше (на крыше здания или на специальной мачте) с учетом того, что кабель снижения имеет длину 30 м. Питание радиостанции осуществляется от сети 220 В, 50 Гц. В разрыв микротелефонной трубки включается демодулятор, соединенный с компьютером. Диспетчер, используя данные от GPS-приемника и электронную цифровую карту местности, управляемую ГИС-приложением ArcVlew GIS 3.0. видит на экране дисплея местоположение подвижного объекта. При движении подвижного обьекта (автомобиля) на экране отображается трэк (след в виде упорядоченного множества точек). Каждая точка трэка имеет ряд параметров (или полей), значения которых определяются данными, получаемыми в момент формирования точки, от GPS-приемника (широта, долгота, высота над уровнем моря. курс, скорость движения автомобиля, количество спутников, по которым выполнялись замеры) .
Так же информация о местоположении подвижного объекта передается по сети на главную ПЭВМ.
Для автоматизации сбора данных с использованием GPS и ГИС технологий используется ГЛОНАСС - ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система второго поколения, позволяющая обеспечить всепогодное, глобальное (включая воздушное и ближнее космическое пространство), непрерывное высокоточное координатно-временное поле для неограниченного числа потребителей. Проще говоря. ГЛОНАСС позволяет в любой точке земного шара и на некотором расстоянии (в сотни километров) от его поверхности определять
л/3/l 4
oiVyV dA  у - 14 координаты, полный вектор скорооти и время. Для этого потребителю необходимо иметь лишь GPS-приемник.
ГЛОНАСС принадлежит России и управляется Министерством Обороны.
Система ГЛОНАСС состоит из трех сегментов:
сегмента управления и контроля;
космического сегмента или созвездия спутников;
сегмента пользователя, включающего приемники (приемоиндикаторы) различных типов.
Сегмент управления и контроля включает главную станцию управления (центр управления системой) и контроля, станции слежения, распределенные по всей поверхности земли, и наземные контрольные станции. Основными задачами этого сегмента являются: определение эфемерид спутников и поправок их часов, предсказание орбит спутников, загрузка навигационного сообщения в память бортовых компьютеров спутников. Кроме того, имеются и другие задачи, например, наблюдение за подготовкой спутников к запуску, обеспечение запуска и т.д.
Спутники располагаются на орбитах, близких к круговым, высотой над поверхностью земли около 19100 километров, период их обращения около 11 часов 15 минут. Спутники равномерно распределены по трем равноотстоящим друг от друга орбитам, плоскости которых наклонены к плоскости экватора под углом в 64.8 градусов. В каждой точке земли и в любое время суток можно одновременно наблюдать не менее четырех спутников. Спутники служат платформами для радиопередатчиков, атомных стандартов частоты и времени, компьютеров и различного вспомогательного оборудования, обеспечивающего жизнедеятельность спутников и системы в целом.
- 15 Сегмент пользователя предназначен для определения координат и составляющих вектора скорости потребителя с использованием навигационного поля систем. Аппаратура военных и приравненных к ним пользователей позволяет полностью реализовать функциональные возможности систем и получить максимальную точность. Гражданское оборудование имеет некоторые ограничения и несколько урезанные возможности.
Для передачи данных с GPS-приемника на демодулятор используется протокол NMEA0183.
Промышленная применимость
Данная полезная модель промышленно реализуема, включает как серийно выпускаемые технические средства (GPS-приемники и радиостанции типа Энергия), так и вновь разработанные блоки модулятора и демодулятора. Модулятор и демодулятор разработаны на современной микроэлектронной базе, имеют набольшие весогабаритные параметры и малое энергопотребление. - 16 Авторы:
Пайгин В.П. Киреев Ю.П. Крутякова Т.Е. Крутякова Е.М. Соловьёва Л. Ю.