Расчет положений изолиний от спутника kazsat-1 для Казахстана

Широта, град
Долгота, град Расстояние, км	45	55	65	75	85
38500	-	-	37,6	45,0	49,0
39000	-	34,5	45,6	51,35	54,6
39500	25,55	44,37	52,63	57,21	59,83
39600	29,03	46,15	53,97	58,35	60,85
39700	32,17	47,88	55,29	59,47	61,87
39800	36,06	49,57	56,60	60,58	62,88
39900	37,77	51,23	57,89	61,69	63,89
40000	40,32	52,85	59,16	62,78	64,88

Таблица 6.2.

Расчет положений изолиний от спутника Экспресс 40^о в.д. для Казахстана

Широта, град
Долгота, град Расстояние, км	45	55	65	75	85
37500	39,74	37,52	32,29	-	-
38000	45,73	43,95	39,88	-	-
38500	51,23	49,77	46,49	40,38	28,06
39000	-	-	52,52	47,67	38,73
39500	-	-	-	54,28	47,44
40000	66,1	65,3	63,54	60,45	55,15

Рис. 6.2. Пересечение изолиний удаления от ИСЗ KAZSAT-1 (103^о в.д., красные линии), Экспресс (40^о в.д., голубые линии) и железнодорожных полотен (черные линии) на территории Казахстана

Для расчета полезных зон, создаваемых ИСЗ, следует использовать формулы расчетов мощности передатчика и в области приема сигналов (3.11, 3.12).

6.2.2. Контроль за движением транспортных средств.

Метод измерения двух текущих координат заключается в измерении времени прохождения прямого и ретранслированного сигналов от ПО, имеющего идентификационный код запроса, через ГСС до наземной станции (НС) по двум путям и сравнении их при известном расстоянии между НС и ГСС.

Схема построения системы местоопределения с двумя геостационарными спутниками связи применительно к выбранным ИСЗ представлена на рис. 6.3. Примером подобных систем могут служить системы EUTELTRACS (ECA) и GEOSTAR (США).

Фирма GEOSTAR, основанная в начале 1980 года, явилась пионером в области предоставления услуг транспортным средствам по определению своего местонахождения.

Рис. 6.3 – Автономная система геостационарных спутников связи для контроля и управления передвижением транспорта

Для решения задач навигации и позиционирования обслуживаемых транспортных средств применен принцип оценки относительных удалений по дальности распространения сигналов между подвижным объектом (ПО) и геостационарным спутником связи (ГСС).

Весь комплекс операций по запросу занимает менее секунды, в течение часа можно обслужить до 500 000 пользователей в пределах зоны радиовидимости.

Система GSS состояла из трех сегментов: космического, земного и абонентского.

Космический сегмент покрывал географический район 48 штатов США и район прибрежных вод. Он строился на основе двух геостационарных спутников.

Земной сегмент состоял из центрального вычислительного комплекса, связанного через антенный пост с каждым спутником.

Абонентский сегмент - состоял из недорогих, легких, одноканальных приемо-передатчиков. Они устанавливались на самолетах, тяжелых грузовых автомашинах, судах и других подвижных объектах и соединялись с дисплеем, имеющим панель управления. Карманные трансиверы для персонального применения были снабжены буквенно-цифровой клавиатурой и жидкокристаллическим дисплеем. Питание осуществлялось от батареек.

Первый этап (опытная эксплуатация) был начат в 1987 году, где использовались два американских спутника NOAA, расположенных на околоземной орбите. В 1987 году потребителям системы стали 8 транспортных фирм США с общим парком автомашин более 100. Местонахождение транспорта уточнялось не реже 4-х раз в сутки. За несколько месяцев доход фирмы GEOSTAR достиг 2 млн.$ США.

Коммерческая эксплуатация системы GEOSTAR началась с 1988 года после запуска на геостационарную орбиту двух спутников SPACENET-3 и GSTAR-3. Система имела возможность обслуживать до 40000 подвижных объектов, информацию о координатах которых можно было получать ежечасно.

Фирма QUALCOMM заняла лидирующее положение в этой сфере услуг.

Спутники KAZSAT-1 и «Экспресс» не являются составной частью системы местоопределения, они выполняют роль ретрансляторов сигналов в линии радиосвязи между наземной станцией центра сбора и аппаратурой подвижного объекта. При этом «Экспресс» обеспечивает ретрансляцию сигналов от наземной станции к подвижному объекту и обратно, а KAZSAT-1 только от подвижного объекта к наземной станции.

Координаты подвижного объекта вычисляются на наземной станции по сигналам, полученным от подвижного объекта с двух направлений (от KAZSAT-1 и «Экспресс»).

Система четырех объектов, в которой координаты трех объектов KAZSAT-1, «Экспресс» и наземной станции известны, позволяет по методу триангуляции рассчитать координаты четвертого объекта, если измерить дальности от подвижного объекта до KAZSAT-1 и «Экспресс». Приближенно это можно представить следующим образом. Если измерены дальности от KAZSAT-1 и «Экспресс» до объекта d₁ и d₂, то подвижный объект находится на линии пересечения двух сфер, описанных радиусом d₁ с центром на KAZSAT-1 и радиусом d₂ с центром на «Экспресс». Пересечение же этой линии с поверхностью Земли даст точку местоположения подвижного объекта.

Значения d₁ и d₂ определяются вычитанием из известных расстояний от наземной станции до KAZSAT-1 и «Экспресс» дальностей от наземной станции до подвижного объекта через KAZSAT-1 и ГСС-2 соответственно. Эти дальности определяются на наземной станции по временной задержке между запросным сигналом от наземной станции и ответными сигналами от подвижного объекта, принимаемыми через KAZSAT-1 и «Экспресс».

Полученные на наземной станции координаты подвижного объекта могут быть переданы ему по каналу связи через KAZSAT-1.

Аппаратура каждого подвижного объекта имеет свой код, что позволяет наземной станции устанавливать связи одновременно со всеми объектами, с группой или с одним.

В нормальном состоянии аппаратура на подвижном объекте находится в пассивном режиме (прием сигналов от наземной станции). Активизация (включение передатчика) аппаратуры осуществляется по запросу от наземной станции.

Наземная станция и центр сбора могут быть совмещены или соединены между собой отдельным каналом связи (радиорелейным, телефонным, спутниковым).

6.2.3. Способ навигации с использованием одного геостационарного ИСЗ. В этом подразделе представляется описание метода железнодорожной навигации, использующего один геостационарный телекоммуникационный спутник. Естественно метод ориентирован на спутник KAZSAT-1.

На железнодорожном локомотиве устанавливается связной приемо-передатчик. Подключенный к нему генератор вырабатывает опознаваемый сигнал и передает через спутник сообщение самому себе. Этот сигнал должен быть модулирован псевдослучайной последовательностью импульсов, присвоенной данному локомотиву. Методом измерения времени прохождения сигнала от локомотива до спутника и обратно  определяется текущая дальность d(t)

d(t)=c(_D - t_з )/2, (6.2)

где t_{з -} задержка сигналов в трактах спутниковой приемопередающей радиоаппаратуры.

Определение величины d(t) может осуществляться измерением временного запаздывания =_D - t_з псевдослучайной последовательности импульсов. Подробный анализ преимуществ данного вида модуляции, как и рассмотрение других типов отождествления сигнала не входит в задачу настоящей статьи.

Точкой местоположения транспортного средства является пересечение линии окружности с радиусом d(t), проведенной от ИСЗ с линией трассы передвижения. Результаты расчетов представлены в таблице 6.1.

Рис. 6.2 дает наглядное представление о методике работы предлагаемого способа навигации. Здесь красными жирными линиями представлены изолинии удаления от ИСЗ Kazsat-1, а черными – линии железнодорожного полотна. Для каждой трассы через заданные интервалы составляется подробная таблица удалений от ИСЗ. Измеренное значение сверяется с табличными данными и определяется местоположение. Точность местоопределения зависит от точности измерения временной задержки  и составляет примерно 100 м.

ИСЗ Kazsat-1 даст хорошие результаты для железнодорожных линий, имеющих северо-западное направление. Для северо-восточных направлений использование ИСЗ Kazsat-1 по предложенному методу не даст ожидаемых результатов. Для этих линий следует выбрать другой спутник, например, Экспресс. На рис. 6.2 видно, что все условия навигации будут соблюдены.

Принцип выбора спутника основывается на приближенному к 90^о углу между направлением железнодорожной линии и изолиний удаления.

6.3 Система местоопределения, использующая низкоорбитальные спутниковые системы связи.

В настоящее время введены в эксплуатацию глобальные системы спутниковой связи, базирующиеся на группировке низкоорбитальных (высота около 1000 км) спутников. Такими системами являются «IRIDIUM», «GLOBALSTAR», «ORBICOM» и другие. Принцип организации связи предполагает, что в зоне видимости объекта связи в каждый момент времени находится не менее 2-х спутников. Управление связью осуществляется через сеть базовых наземных станций, которые, обеспечивая условия вхождения объекта в связь через спутник, решают задачи синхронизации аппаратуры подвижного объекта по времени, фазе и частоте излучаемых ею сигналов.

При этом информация, которой располагает наземная станция при решении задачи установления связи, содержит необходимый объем данных для определения координат объекта связи как побочный продукт для предоставления услуг по местоопределению объекта, будь он подвижный или неподвижный.

Это обстоятельство позволяет с использованием подобных систем связи построить систему местоопределения подвижных объектов. Для этого достаточно на подвижный объект установить абонентскую аппаратуру системы связи и центр сбора информации соединить по любому каналу связи (в том числе и по каналу той же системы связи) с базовой наземной станцией (рис. 6.4). По запросу центра сбора базовая наземная станция войдет в связь с подвижным объектом, определит его координаты и передаст в центр сбора. По указанию центра сбора или запросу с подвижного объекта координаты объекта могут быть переданы и ему.

Примером спутниковой глобальной системы связи могут служить системы GLOBALSTAR (США) и "СИГНАЛ" (Россия).

Рис. 6.4 - Автономная система низкоорбитальных спутников связи для контроля и управления передвижением транспорта

Итак, спутниковые системы связи с подвижными объектами и, в особенности, системы, предоставляющие услуги определения местоположения абонентского терминала, позволяющие осуществлять управление, а также контроль за перемещением и состоянием грузов, являются перспективным и растущим сектором рынка.

Как показывает опыт, крупные автотранспортные фирмы и компании, занимающиеся масштабными грузоперевозками, являются кредитоспособными и весьма стабильными клиентами, заинтересованными в повышении производительности и рентабельности своей деятельности. Исследования, проведенные американской фирмой CTA, показывают, что в развитых странах установка такой аппаратуры на трайлерах повышает продуктивность их использования до 40% в год.

Использование аппаратуры спутниковых систем радиосвязи для целей навигации и управления позволяет:

· транспортной компании:

- увеличить оборачиваемость транспорта и доход от кругорейсов;

- оперативно переориентировать транспортные средства на более выгодный фрахт;

- брать "горящий" фрахт и фрахт, требующий доставки точно в срок;

- своевременно реагировать на непредвиденные обстоятельства;

- контролировать график рейса;

- повысить безопасность грузоперевозок и сохранность груза;

- оптимизировать управление на основе оперативной информации;

- аргументировано разрешать споры благодаря наличию объективных материалов, находящихся в базах данных, (включая в ряде случаев зарубежные независимые БД);

· водителю транспортного средства:

- поддерживать практически непрерывный контакт с диспетчером в головном офисе компании;

- экономить время;

- оперативно решать непредвиденные проблемы;

· клиентам транспортной компании:

- иметь точное расписание доставки;

- контролировать погрузку и доставку груза;

- снизить риски, связанные с безопасностью груза.

Учитывая специфику внутреннего рынка, когда потребители таких услуг вынуждены работать в условиях несовершенной нормативно-правовой базы и криминальной обстановки, достаточно актуальным является расширение предоставляемых услуг с возможностью оперативной подачи сигнала бедствия с сообщением координат и некоторых параметров состояния груза.

Компания COMBELLGA провела исследования экономической эффективности использования системы EUTELTRACS российскими автотранспортными компаниями. Результаты показали, что месячная прибыль, приносимая машиной, возрастает на 21%, а оборачиваемость транспорта возрастает на 8.5%. При этом затраты на оснащение 20 машин окупятся в течение 2-х кварталов и будут приносить постоянную прибыль.

По-видимому, наличие на транспортных средствах клиента подобной аппаратуры позволит ему рассчитывать и на определенные льготы при страховании груза.

В настоящее время в реальна разработка казахстанской системы спутниковой связи и местоопределения подвижных объектов, которая может базироваться как на существующих, так и на разрабатываемых отечественных спутниковых платформах. Возможно размещение полезной нагрузки ведущих зарубежных фирм-изготовителей. Некоторые затруднения могут возникнуть на этапе координации системы с существующими сетями и при создании наземного сегмента. В условиях определенной освоенности рынка зарубежными компаниями, жесткой конкуренции между участниками целесообразность разработки и создания новой собственной спутниковой системы, предоставляющей услуги определения местоположения и радиосвязи с подвижными объектами очевидна.

7 Рождение e-time и новых навигационных технологий

Ушедший ХХ век подарил нам Internet, а до него - электронную почту e-mail, хотя для многих из нас одно неотделимо от другого! Навигатором стали называть программу для компьютера.

В XXI веке основным поставщиком информации, очевидно, будет ИНТЕРНЕТ. Это не означает, что не будет книг, театров, кино..., нет - просто в нашей жизни информация будет играть все большую, если не основную роль. Уже сегодня, используя Internet, мы можем общаться, учиться, развлекаться, работать.

Электронная коммерция развивается стремительными темпами. Электронные биржи, банковские расчеты, частные покупки, все это - не выходя из комнаты или автомобиля, а может самолета. Сегодня в качестве Вашего рабочего инструмента - компьютер, завтра специальный сотовый телефон-коммуникатор, а может компьювизор (компьютел), впрочем, я не знаю, как назовут прибор, объединяющий в себе функции телевизора, компьютера, модема и телефона, в который будет встроен спутниковый навигационный приемник...

А время в Internet будет, конечно, электронное и конечно Гринвичское!

Очевидно, что будут продолжать развиваться навигационно-инфор-мационные технологии управления движением транспорта не только морского и воздушного, но и наземного.

Персональная навигация - это близкая реальность! Навигационные приемники встраивают в автомагнитолы, в часы, а электронную карту города, (района, страны) устанавливают в проигрыватель лазерных дисков. "Как быстрее проехать в нужное место?" Где ближайшая бензоколонка?: - "Пожалуйста, следуйте указаниям бортового компьютера"!

Рекомендуемая литература

1. Акимов А. А. Буравин А.Е. "Связь и навигация. Интеграция услуг //журнал Системы и средства связи 2000 г. № 3-4.

2. Астафьев Г.П., Шебшаевич В.С., Юрков Ю.А. Радиотехнические средства навигации летательных аппаратов. // М.: Сов. радио, 1962, 963 с.

3. Белавин О.В. Основы радионавигации. // М.: Сов. радио, 1977, 320 с.

4. Беляевский Л.С., Новиков В.С., Олянюк П.В. Основы радионавигации. // М.: «Транспорт», 1982, 287 с.

5. Борсоев В.А., Зеленков В.Е., Козин И.Д. и др. Совершенствование одночастотных приемников GPS и «ГЛОНАСС» для учета ионосферных поправок. //САКС-2001. Материалы Международной научно-практической конференции 1-4 декабря 2001 г., Красноярск 2001, т.1, с. 26 –27.

6. Васильев И.В., Козин И.Д., Козин В.И., Федулина И.Н.. Концепция глобального мониторинга ионосферы. //Известия НАН РК, серия физико-математическая, 2004 №4, с. 139-144.

7. Материалы ГП Морсвязьспутник HTTP://www.marsat.ru

8. Овчаренко Л. А., Поддубный В. Н.   Помехоустойчивость приема   фазоманипулированных сигналов на фоне наиболее неблагоприятных помех // Радиотехника, 1992, № 7-8, с.13-19.

9. Одинцов В.А. Радионавигация летательных аппаратов. // М.: Машиностроение, 1968, 408 с.

10. Одуан К., Б. Гино. Измерение времени. Основы GPS. //Москва: Техносфера, 2002, 400 с.

11. Регламент радиосвязи. Женева, Международный союз электросвязи, т.2, 1990.

12. Соловьев Ю.А. Системы спутниковой навигации. /М.: Эко-Трендз, 2000, 260 с.

13. Спутниковая связь и вещание. //Справочник, под ред. Л.Я. Кантора. - М.: Радио и связь, 1997.

14. Тузов Г. И., Сивов В. В., Прытков В. И. и др. Помехоустойчивость  радиосистем со сложными сигналами //М.: Радио и связь, 1985.

15. Финк Л. М. Сигналы, помехи, ошибки... Заметки о некоторых неожиданностях  и заблуждениях в теории связи //М.:  Радио и связь, 1984.

16. Экстремальная радионавигация Под ред. Р.И. Полонникова и В.П. Тарасенко. //Наука, Гл. редакция физико-математической литературы, М., 1978, 280 с.

17. Shingo O, Hiromutsu W, Seiichiro Kawase “Mobile Satellite Communications” Artech House inc. 1998 isbn 0-89006-843-7

83