автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Моделирование систем поиска и слежения за движущимися объектами с помощью радиодоступа

На правах рукописи

Омарова Гульзира Алимовна

МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ПОИСКА И СЛЕЖЕНИЯ ЗА ДВИЖУЩИМИСЯ ОБЪЕКТАМИ С ПОМОЩЬЮ РАДИОДОСТУПА

05 13 18 - математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Новосибирск - 2007

003065323

Работа выполнена в Институте Вычислительной Математики и Математической Геофизики СО РАН.

Научный руководитель доктор физико-математических наук,

профессор Попков Владимир Константинович

Официальные оппоненты доктор технических наук

Поллер Борис Викторович

кандидат физико-математических наук Кочетов Юрий Андреевич

Ведущая организация- Институт проблем передачи

информации РАН

Защита состоится 2 октября 2007 г в 15 час. на заседании Диссертационного совета Д 003 061.02 при Институте Вычислительной Математики и Математической Геофизики СО РАН

по адресу 630090, Новосибирск, просп Ак Лаврентьева, 6

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале библиотеки Института Вычислительной Математики и Математической Геофизики СО

РАН

Автореферат разослан 30 августа 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.ф.-м.н.

С Б Сорокин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Задачи определения местонахождения автомашин, других транспортных средств, ценных грузов и тп. крайне актуальны как для государственных правоохранительных органов, так и для частных структур безопасности Такие задачи приходится решать в процессе управления патрульными службами и контроля перемещения подвижных объектов, обеспечения безопасности автомашин и их поиска в случае угона, сопровождения транспортных средств и ценных грузов и тд Наиболее актуальными являются задачи автоматизированного местоопределения подвижны« объектов в составе систем комплексного обеспечения безопасности

Потребителями таких систем выступают как юридические, так и физические лица Среди Юридических лиц - это авто и железнодорожные грузоперевозчики (прежде всего перевозчики особо ценных и опасных грузов), владельцы транстюртных парков (таксопарки, аренда автомобилей, автобусные парки'и др.), инкассаторы, технологический транспорт по обслуживанию аэродромов, горно-обогатительные и металлургические комбинаты и многие другие компании, где получение оперативной и достоверной информации о местоположении и состоянии подвижных объектов и перевозимых грузов, возможность оперативного управления этими объектами имеют первостепенное значение.

Вторая категория - это частные автовладельцы и индивидуальные пользователи. Среди прочих областей применения таких систем можно выделить службы быстрого реагирования МЧС, МВД, скорую помощь, мониторинг местоположения физических лиц в интересах безопасности и контроля и др

Определяющее значение здесь имеют повышение безопасности перевозок и сохранности груза, оптимизация транспортных маршрутов и, как следствие, сокращение расходов и возрастание эффективности работы Другая категория - владельцы дорогих, престижных иномарок Автовладелец получает не только возможность автономной навигации автомобиля, но и преимущество оперативного противодействия угону транспортного средства, получения достоверной информации о своем автомобиле

Основной задачей подобных навигационных комплексов является контроль за местоположением и состоянием подвижных объектов, но помимо этого они позволяют решать целый ряд специфических задач В частности

• получение оперативной информации о местоположении и состоянии транспортных средств, отображение движения транспортных средств на электронных картах в режиме рёального времени,

• автоматизация контроля за движением автотранспорта й действиями водителя,

• повышение безопасности перевозок и личной безопасности водителя,

• оптимизация транспортных маршрутов,

J

• противодействие угонам транспортных средств и др

Системы, связанные с передачей сигнальной информации имеют актуальность в настоящее время по причине малой стоимости, простоты и надежности Такие системы позволяют представить альтернативный вариант многофункциональной системы передачи сигнальной информации в экстренных ситуациях или передачи краткосрочного кодового сообщения с помощью радиосвязи Создание таких систем позволит организовать- систему наблюдений за объектами с целью предупреждения чрезвычайных ситуаций, систему охраны и помощи, определения местонахождения клиента

Цель работы заключается в моделировании систем поиска и слежения за движущимися объектами с помощью радиодоступа Для этого в диссертационной работе решаются следующие задачи

• задача покрытия заданной местности радиодоступом,

• задача расстановки блок постов для восстановления пути из одного пункта в другой,

• нахождения зоны уверенного приема сигнала,

• нахождение приближенных координат объекта и направления движения относительно заданных опорных приемо-передающих станций (ОППС),

• построение модели движения тела, учитывающей наличие ошибок в канале связи

Методы исследования базируются на теории графов, методах исследования операций, методах имитационного моделирования, методах

аналитической геометрии

Научная новизна и личный вклад соискателя состоит в следующем

• Доказаны утверждения, позволяющие решать задачи за полиномиальное время

• Разработаны и теоретически обоснованы алгоритмы для нахождения площади зоны уверенного приема сигнала и доказана их полиномиальная трудоемкость

• Получено выражение для достаточного количества блокпостов, если каждый перекресток имеет "четыре направления.

• Получении теоретические результаты, которые дают возможность, зная распределение ошибок в канале связи, на каждом шаге сглаживать данные V '

Практическая ценность работы заключается в создании ряда алгоритмов и комплекса программ для моделирования систем поиска и слежения за движущимися объектами Полученные в работе теоретические результаты, алгоритмы и программные средства могут быть использованы на практике для различных поисковых систем, использующих радиодоступ

Апробация работы. Основные научные результаты диссертации докладывались и обсуждались на- объединенном семинаре Отдела телекоммуникационных сетей ИВМиМГ СО РАН, НГУ и СубГУТИ, конференциях молодых ученых ИВМиМГ СО РАН (1998-2000гг), III и IV международных конференциях Современные информационные технологии (1998 и 2000 гг) в г Новосибирске, VI международном семинаре РОИ-98, г Новосибирск, международной конференции "Проблемы функционирования информационных сетей" в Киргизии (2004г) и в Новосибирске (2006г), на азиатской международной школе-семинаре "Проблемы оптимизации сложных систем", 2006 г в Новосибирске

Научные результаты диссертации опубликованы в 11 работах, список которых приведен в конце автореферата, среди них одна работа в журнале списка ВАК.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы Диссертация изложена на 87 страницах, включает библиографический список из 82 наименований работ, 15 рисунков, 1 таблицу.

Рисунки, формулы, таблицы и библиографические ссылки имеют сквозную нумерацию по всей работе.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель диссертации я приведено краткое изложение полученных результатов

В первой главе диссертации рассматривается классификация систем местоопределения объекта В основу классификации систем и способов местоопределения положен подход, рекомендованный Международным консультативным комитетом по радио (МККР) Международного Союза Электросвязи в Отчете 904-1 XVI Пленарной ассамблеи (Дубровник, 1986 г) Согласно данной классификации рассматриваются следующие системы автоматического (автоматизированного) определения местоположения транспортного-средства (англоязычная аббревиатура - AVL - Automatic Vehicle Location systems) Система AVL состоит из нескольких подсистем определения местоположения, передачи данных, управления и обработки данных

По назначению AVL можно разделить на системы диспетчерские, дистанционного сопровождения, восстановления маршрута

В зависимости от размера географической зоны, на которой действует AVL система, она может быть- локальной, зональной, глобальной

Методы определения местоположения, используемые в AVL системах, можно разбить на три основных категории- методы приближения (которые в отечественной литературе также называются зоновыми методами), методы навигационного счисления и методы определения местоположения по радиочастоте

Рассмотрены системы на базе методов приближения, методы место определения по радиочастоте, методы радиопеленгации, методы радионавигации, методы навигационного счисления

Вторая часть первой главы посвящена факторам, влияющим на радиосвязь при построении сетей связи, которые в дальнейшем будут учитываться при решении задач главы два и три [7,8,11]

Факторы, уменьшающие дальность радиосвязи и снижающие ее качество

• "радиотени" возникают в случаях, когда на пути распространения сигнала существует (или периодически появляется) какая-либо естественная или искусственная преграда здания, сооружения, возвышенности, деревья, линии электропередач, тоннели и

тп В такие места сигнал либо не доходит вообще, либо доходит сильно ослабленным,

• затухание и рассеяние сигналов,

• интерференция - сложение двух или более волн, при котором амплитуда результирующей волны зависит от разности фаз исходных волн в данной точке пространства Если складываются водны с одинаковой фазой, то амплитуда результирующей волны будет увеличиваться, а если с противоположными фазами, то уменьшаться

Факторы, влияющие на дальность радиосвязи

• высота установки антенны,

• рельеф местности и окружающая застройка,

• частота диапазона радиоволн,

• мощность аппаратуры

Расчет расстояния до радиогоризонта позволяет оценить дальность связи при выбранной высоте установки антенны

Теоретический радиус радиогоризонта в км вычисляется по формуле = 4 124л/Я, где Н - высота расположения антенны в метрах.

Подразумевается, что антенна второй радиостанции или приемника расположена на уровне земли (без подъема антенны) Если же антенна второй радиостанции или приемника тоже подняты над землей, то необходимо учитывать высоты обеих антенн и полученные дальности сложить

где Б - дальность в км, - высота установки антенны передатчика над поверхностью земли в метрах, /12 - высота установки антенны приемника над поверхностью земли. Область, в пределах которой оказывается возможным уверенный прием сигналов, можно разбить на две зоны прямой видимости и полутени.

Вторая глава диссертации посвящена решению нескольких задач, связанных с покрытием местности радиодоступом, для дальнейшего поиска и обнаружения движущегося объекта Предложено несколько алгоритмов решения задачи и схема выбора решения среди полученных Результаты главы 2 опубликованы в [1,2,3,6,7,8]

Рассматривается следующая задача задана некоторая область земной поверхности, на которой указаны N точек (места возможного размещения антенн) Нужно выбрать не более п точек из -ЛГ, так чтобы покрыть область зоной радиодоступа и минимизировать стоимость антенн

Математическая формулировка постановка задачи, сформулируется следующим образом Дано

/ = {1, , -/V} - ножество точек, где можно ставить антенну, п - число выбранных точек, где будут расположены антенны; I = {1, , М} - типы антенн; *

кг > 0 - число антенн г-го типа доступного для размещения, Сг > 0 - стоимость г-й антенны, (, ( ^ , г Г> Э = {1, ,5} - тоски на плоскости, которые надо покрыть (узлы решетки),

А = {а^} - {0, 1} матрица, если антенна г установленая в точке ] покрывает в узел, то аг]8 ~ 1,иначе агзе — О,

переменные задачи хг] € {0,1}, если ставим в точке ] антенну г, то хг] = 1, иначе хг} = 0 Ограничения

]С > £ Я,

ге!

< кг,Уг € I Целевая функция

Данная задача решается следующим образом строится первоначальная математическая модель, которая усложняется по мере выполнения очередной подзадачи Для решения предлагается несколько алгоритмов

В завершении предлагается алгоритм решения с использованием знания экспертов Известно, что при решении №-трудных задач использование диалогового интерфейса позволяет упростить решение задачи и получить решение В данном случае математическая модель является самой сложной и наиболее общей по сравнению с другими моделями Особые трудности возникают при решении задач с большой размерностью, нечеткостью постановки, неопределенностью информации и т.д В постановке таких задач появляются неклассические моменты, такие как плохая формализуемость, нестандартность, противоречивость

Диалоговый интерфейс предлагает на выбор несколько вариантов для дальнейшего решения задачи и пользователь выбирает, что в конкретном случае будет лучшим в данной местности или при данных условиях

Вторая задача во второй главе - это нахождение пути из пункта А в пункт В, по которому мог проехать объект В ходе рассмотрения данной задачи была доказана теорема о расстановке блокпостов и получена верхняя оценка их количества.

Пусть вершина графа - это перекресток, а ребра - дороги от одного перекрестка до другого В вершинах графа можно установить маркеры, соответствующие блокпостам, фиксирующим прохождение движущегося объекта Блокпост фиксирует приближение и удаление объекта Фиксируется со стороны какой вершины объект приближается и в сторону какой вершины объект удаляется

Тогда задача сводится к расстановке маркеров

Теорема 1 Пусть дороги заданы в виде графа решетки п на т. Вершины А и В заданы Тогда для нахождения маршрута из вершины А в вершину В, будет достаточно расставить следующее количество маркеров.

при произвольном п и нечетном т (тЧ-1)«(п»+1) _ 1

4 1 >

при т - четном, ап - нечетном

(п+1)*т , п—3

4 2 >

при тип- четном

п*т I п—2 . т—2 _1

4 2 2 1

Данная теорема позволяет не только получить теоретическую оценку, но и предлагает алгоритм расстановки постов. Например, граф решетка 4 на 4 должен иметь 5 блок-постов, с точностью до поворота

Но не всегда дороги можно представляют в виде графа решетки, поэтому можно произвести расстановки постов исходя из реальной задачи Данный результат позволяет получать начальное приближение для прикладных задач. Особую роль при решении задачи играют роль точки сочленения и вершины через которые проходит наибольшее число простых путей На первом шаге расставляем блокпосты в множестве таких вершин, а остальные посты расставляются с учетом распространения радио сигнала - для нахождения более точного маршрута При решении заданной задачи был разработан алгоритм, где пользователь

мог бы сам расставить посты и оценить возможно ли при такой расстановке однозначно восстановить пройденный путь Программа реализована на С++ ВшЫегб О

Третья задача во второй главе - это нахождение области распространения радиоволн В однородных средах радиоволны распространяются прямолинейно с постоянной скоростью, подобно световым лучам (радио чучи) Такое распространение радиоволн называется свободным Для таких волн рассматривается следующая задача Пусть на местности имеются'4

• некоторый источник, излучающий радиоволны по всем направлениям, с ограниченным радиусом действия,

г

• экраны-помехи, поглощающиера^иоврлны _

Необходимо найти область расйространений радйовояй с учетом экранов-помех и вычислить ее площадь 4 - ~ ' ' ! "г"

Формально данная задача формулируется следующим образом Дано

1 Ь\[А\В{[, , Ьп[АпВп] -конечное множество экранов-помех (отрезков) в Е2

2 0(х,у) - координаты источника радиоволн,

3 Д - радиус действия источника,

Найти наибольшее по включению звездное множество П относительно точки 0(х, у), лежащее в круге с центром в точке О радиуса Я с учетом экранов-помех и вычислить его площадь

Для решения исходной задачи приведены ряд определений и доказано несколько теорем с использованием аналитической геометрии Построено частично упорядоченное множество относительно отношения затенения Это множество конечно, так как исходное множество отрезков конечно, из этого следует, что всякая его цепь является вполне упорядоченным множеством, т е во всякой цепи существует максимальный элемент - отрезок, который полностью затеняет все другие из этой цепи Поэтому, оставив из каждой цепи нашего множества по максимальному элементу, получим множество попарно несравнимых (независимых) между собой отрезков, которое и назовем множеством базовых экранов.

Для решения этой задачи предлагается алгоритм построения зоны уверенного приема сигнала и показано, что теоретическая сложность данного алгоритма равна 0(п4)

Реализация, алгоритмов описанных в работе, дает возможность нахождения площади зоны уверенного приема сигнала. Разработана программа, которая разрешает пользователю выбирать месторасположение источника Это позволяет оценить несколько вариантов, так как, препятствия хранятся специальным образом, что дает возможность не изменять их постоянно, центр окружности, радиус источника задаются пользователем

Третья глава посвящена решению задач, связанных с поиском и обнаружением движущегося объекта «а карте города заданы места размещения опорных приемо-передающих станций (ОППС), которые принимают и передают сигналы" Требуется найти место расположение движущегося объекжа итр;гр напр^вление дщ1жения относительно заданных ОППС Результаты главы 3 опубликованы в [4,5,9,10]

Постановка задачи

1 На плоскости заданы координаты ОППС - п точек с координатами

01 (0.1,0*1), ,0п(0Хп,0Уп)

2 Для любого момента времени 1г и любой точки плоскости Р4 (жг, уг) существуют тп точек (ш >3) (9П, ,'01т не лежащих на одной прямой, таких что Пг — ег< р(Рг, Ог) < Иг 4- £„ где р -это расстояние в М2, Н\, , Ит, ег- некоторые заданные величины

3. В любой момент времени t мы знаем радиальные скорости объекта •РД^ь ш) относительно каких-либо двух ОППС

Требуется- построить алгоритм нахождения границы области О, в которой находится точка предложить вариант средней точки

этой области и вектора скорости тела

Для решения данной задачи предлагаются четыре алгоритма.

1 нахождения точек пересечения окружностей, приводится анализ возможных вариантов исходной области, теоретическая сложность алгоритма не более чем 0(т2),

2 нахождения вершин области П, применение полярных и декартовых координат для решения задачи, теоретическая сложность данного алгоритма 0{тг),

3 нахождения границы П, и хранение информации для дальнейшего решения и сужения области О, теоретическая сложность алгоритма 0(ш4),

4 использование диалогового интерфейса, если выбор точки затруднен, на выбор предлагается расширенный вариант возможных точек

Таким образом, построен общий алгоритм (который получается из алгоритмов указанных выше) нахождения границы и средней точки области €1, теоретическая сложность которого 0(т4)

В ходе работы разработана программа, которая определяет приближенную траекторию движения по полученным данным Чем больше данных от ОППС мы имеем, тем точнее получаем траекторию Траектория движения получается в виде ломаной

Вторая часть третьей главы посвящена построению модели движения тела, учитывающая наличие ошибок в канале связи и оценки с помощью функции максимального правдоподобия ошибки сглаженной координаты и ошибки экстраполированной на один обзор координаты Выбор конкретной модели движения цели зависит от того, с какими целями придется иметь дело устройству вторичной обработки Так, например, если устройство предназначено для обработки траекторий баллистических ракет и спутников Земли, то модели их движения могут быть представлены уравнениями кривых второго порядка (эллипс, парабола, окружность) Если устройство предназначено для обработки траекторий других средств, где модели движения представляют собой совокупность участков с прямолинейным и равномерным движением и участков маневра, то для такого рода устройств за основу может быть взята полиномиальная модель движения Она основана на представлении процесса изменения координат цели на ограниченном участке наблюдения в виде полинома степени

В общем случае траекторию представляют в виде суммы некоторых функций времени с параметрами, которые содержат случайные величины или сами являются ими, в частности в виде временного полинома Это значит, что координаты траектории представляются в следующем виде

«(01,0= £

к=0

<

У(в3,*)= ¿©2^, А=0

где ©а - параметры, содержащие случайные величины (ошибки)

Предоложим степень полинома $ =Д, что эквивалентно выбору рабочей гипотезы о характере изменения во времени координат объекта, подлежащих обработке Предполагается, что суммарный сигнал на входе устройства вторичной обработки» информации можно представить в виде суммы полезного сигнала (истинной информации о характере изменения координат) »помехи,.те

Г Л"(в1,<) = ®(в1>«) + М(«),

\ у(е3>«) = у(в3,4) + л3(«)

Чаще всего помеха в канале связи N{1) рассматривается как нормально распределенный случайный процесс, с известной корреляционной функцией и равным нулю средним значением, те ]У(<) € Ф(0,а) Тогда при принятых предположениях, поставленная задача сглаживания сводится к оценке мат ожидания полиномиальных функций Х{6,Ь) и У (в. £) со случайными коэффициентами по результатам наблюдения одной ее реализации в дискретном ряде точек ¿1,. , £п

Таким образом, нужно оценить В — {0\, у 0п) по результатам наблюдения X — {х^х), , ж(4„)) или У = (у(Ь), ,у&п))

При заданных предположениях о движении объекта координата у описывается полиномом 1-й степени, а с помощью функции максимального правдоподобия получаем, что значение математического ожидания в г -ой точке наблюдения будет у*Цг) = Уо + 'о*1г

Если результаты наблюдений поступают через равные промежутки времени, те £г = (г — 1)ТЬ (пТо = ¿о), то

пуЗ + «;Е(»-1) = ЕУ.

4 п г п г п , где и,у = ьуТо,

у*0 Е (•-!) + «; Е («-1)2 = Е Уг(» -1)

и получаем следующие оценки

' п »

< 1—1 ^ ' %=ц

„ г=1 г=1

Теорема 2 Модель движения тела описанная по формулам выше, имеет среднеквадратичную ошибку. сглаженной координаты сг'у. — <1у +

п2Тд сГц. = <7^1 + и среднеквадратичную ошибку экстра-

полированной на один обзор координаты = ег^ + 1

пТо = ¿о, ¿о ~ интервал времени

Используя полученные результаты, можно сделать вывод о том, что, зная распределение ошибок в канале связи, можно на каждом шаге сглаживать данные

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты, полученные автором

• Разработан метод покрытия заданной местности радиодоступом. Предложено несколько алгоритмов, в том числе алгоритм с использованием экспертных знаний.

• Доказана и теоретически обоснована верхняя оценка количества блокпостов для восстановления пути из одного пункта в другой, а также предложен алгоритм их расстановки

• Разработаны алгоритмы для нахождения площади зоны уверенного приема сигнала и доказана их полиномиальная трудоемкость

• Разработан и реализован алгоритм поиска движущегося объекта нахождение средней точки (приближенные координаты объекта) и его направление движения относительно заданных ОППС

• Разработана и реализована программа, которая определяет приближенную кусочно-линейную траекторию движения

• Построена статистическая модель движения тела, учитывающая наличие ошибок в канале связи и доказаны следующие оценки-среднеквадратичная ошибка сглаженной координаты и среднеквадратичная ошибка экстраполированной на один обзор координаты

Список работ по теме диссертации

1 ЕВ Беокаева, В К Попков, А С Родионов, ОмароваГА Проблема проектирования цифровых абонентских сетей радиодоступа // РОИ-98, VI международный семинар, 1998г

2 Омарова ГА Комплекс генерации случайных графов // Труды конференции молодых ученных, Н-ск, 1998, с174-181

3 Omarova G A Construction of the initial of antenna allocation for radio access networks // Bulletin of the Novosibirsk Computing Center, 1999 p 104-108

4. Омарова ГА Разработка и реализация системы поиска и слежения за движущимся объектом с помощью радиосредств // СИТ-98, материалы Ш Международной конференции Новосибирск 1998, с 122-126

5 Омарова Г А Алгоритм вычисления места расположения координат на карте движущегося объекта и его направления // Материалы 6-ой международной конференции, Новосибирск -2000, СИТ - 2000, с 69-74

6. Омарова Г А Проблемы проектирования и построения сетей связи с помощью радио доступа // Материалы 8-й международной конференции "Проблемы функционирования информационных сетей", Киргизия, 2004, с 229-234

7 Омарова ГА Поиски оптимальных алгоритмов размещения радиоантенн с учетом факторов, влияющих на дальность радиосвязи // Материалы первой азиатской международной школы-семинара "Проблемы оптимизации сложных систем", 2005, с 100106

8. Омарова Г А Построение алгоритмов с учетом диалогового интерфейса при решении оптимизационных задач сетей связи // Материалы 9-й международной конференции "Проблемы функционирования информационных сетей", Новосибирск 2006, с 225-238

9 Омарова ГА Статистическая модель движения тела, учитывающая наличие ошибок в канале связи // Журнал Вестник НГУ, серия Информационные технологии 2006г, том 4, выпуск 1, стр 50-55

10 Омароеа Г А , Попков В К Моделирование систем поиска и слежения за движущимися объектами// Труды ИВМиМГ СО РАН серия информатика, выпускб, Новосибирск 2006, с146-155

11. Омароеа ГА , Попков В.К Задачи, связанные с моделированием систем поиска за движущимися объекта и с помощью радиодоступа// Материалы Российской научно-технической конференции Информатика и проблемы телекоммуникаций Новосибирск 2007, С167-168

Омарова Гульзира Алимовна

МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ПОИСКА И СЛЕЖЕНИЯ ЗА ДВИЖУЩИМИСЯ ОБЪЕКТАМИ С ПОМОЩЬЮ РАДИОДОСТУПА

05.13.18 - математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Лицензия ИД № 02202 от 30 июня 2000 г Подписано в печать 23 08 2007 г

Формат бумаги 60 х 841/хе Объем 1,0 п л 1 уч -изд л Тираж 100 экз Заказ № /

ООО «Омега Принт», Новосибирск-90, пр Лаврентьева, 6

Введение

Глава 1. Системы навигации и поиска

1.1. Классификация систем местоопределения объекта.

1.1.1. Системы на базе методов приближения.

1.1.2. Методы местоопределения по радиочастоте.

1.1.3. Методы радиопеленгации.

1.1.4. Методы радионавигации.

1.1.5. Методы навигационного счисления.

1.2. Факторы, влияющие на радиосвязь при построении сетей связи

1.2.1. Радиоволны . . . '.'.

1.2.2. Как распространяются радиоволны.

1.2.3. Факторы, влияющие на дальность связи.

1.2.4. Расчет радиуса горизонта.

1.2.5. Системы связи.

Задачи определения местонахождения автомашин, других транспортных средств, ценных грузов и т.п. крайне актуальны как для государственных правоохранительных органов, так и для частных структур безопасности. Такие задачи приходится решать в процессе управления патрульными службами и контроля перемещения подвижных объектов, обеспечения безопасности автомашин и их поиска в случае угона, сопровождении транспортных средств и ценных грузов и т.д. Наиболее актуальными являются задачи автоматизированного местоопределения подвижных объектов в составе систем комплексного обеспечения безопасности. Эти и многие другие задачи решаются с использованием беспроводных сетей [1, 2, 3, 4].

В настоящее время, с каждым днем все более увеличивается количество беспроводных сетей, существующие сети расширяются, возрастает число пользователей этих сетей. Причем растут также и требования к передаваемому трафику, пропускной способности, масштабируемости и стоимости, которая является существенным показателем при построении сети. Помимо задачи увеличения пропускной способности магистральной сети, актуальной является задача построения сети доступа, основными требованиями к которой являются: широкая инфраструктура, масштабируемость, невысокая стоимость [5] - [11].

Особенности беспроводных сетей

Фактор мобильности

Среди отличительных свойств беспроводных технологий наиболее очевидное-это возможность мобильности. Невозможность подсоединения подвижных (иначе, мобильных) абонентов является принципиально непреодолимым ограничением чисто кабельных сетей (т.е. сетей, использующих кабели и на сетевых магистралях, и для подсоединения абонентов). Это ограничение относится к любому виду коммуникаций - как к обычной телефонной и факсимильной связи, так и к передачам данных. Использование радио-технологий дало возможность снять это ограничение, вызвав бурное развитие мобильных сотовых и транковых сетей.

Фактор удаленности

Другое преимущество беспроводных сетей имеет не технологический, а чисто экономический характер. Оно касается подсоединения к сети удаленных абонентов, когда протягивать кабель оказывается экономически нецелесообразно. Это могут быть либо абоненты, разбросанные по обширной малонаселенной (и, как правило, труднодоступной) территории, либо абоненты, сгруппированные в удаленном или труднодоступном пункте. В первом случае экономически нецелесообразным оказывается прокладка или подвеска кабелей абонентского доступа, во втором - магистральных кабелей ("опорной сети").

Фактор срочности

Наконец, третий фактор специфичен для стран с бурно развивающейся экономической деятельностью и сильно отставшими в развитии телефонными сетями общего пользования. Это фактор срочности - надежные коммуникации нужны сейчас, немедленно, а для прокладки кабельной сети требуются колоссальные инвестиции и длительное время. При этом, когда в какой-нибудь населенный пункт или городской район уже проложен хороший новый кабель (сейчас закладывается преимущественно оптоволокно), то он со временем может решить все проблемы фиксированной (т.е. не мобильной) связи, в гораздо более полной мере, чем это могут сейчас радио-технологии. Но для этого надо еще довести кабельную разводку до каждой квартиры или учреждения ("последняя миля"), переоснастить АТС современными электронными коммутаторами и т.д.

Трудности решения этих задач возникают по ряду причин:

• Проблема телефонизации (большое количество удаленных населенных пунктов и промышленных сооружений, в нашей стране нетеле-фонизированно).

• Проблема преодоления препятствий при прокладке кабеля (большое количество природных помех, таких как реки, овраги, леса, а также искусственно созданных: здания, железнодорожные рельсы). Для решения этих задач необходимо:

• Обосновать необходимость применения сетей беспроводного доступа (рассмотреть случай при которых применение проводных сетей затруднительно, а следовательно, является дорогостоящим).

• Проанализировать сети беспроводного радиодоступа (выявить все преимущества и недостатки данной системы, а также экономически обосновать целесообразность применения данных технологий).

• Проанализировать существующие стандарты, поддерживающие технологии беспроводного радиодоступа (рассмотреть существующие технологии и стандарты, выбрать наиболее перспективные и описать их характеристики).

• Проанализировать оборудование представленное на российском рынке (провести сравнительный анализ всех типов оборудования представленного производителями на российском рынке й сделать выводы о преимуществах использования одного из типов).

Потребителями таких систем выступают как юридические, так и физические лица. Среди юридических лиц - это авто и железнодорожные грузо-перевозчики (прежде всего перевозчики особо ценных и опасных грузов); владельцы транспортных парков (таксопарки, аренда автомобилей, автобусные парки и др.); инкассаторы; технологический транспорт по обслуживанию аэродромов; горно-обогатительные и металлургические комбинаты и многие другие компании, где получение оперативной и достоверной информации о местоположении и состоянии подвижных объектов и перевозимых грузов-, возможность оперативного управления этими объектами имеют первостепенное значение.

Вторая категория : частные автовладельцы и индивидуальные пользователи. Среди прочих областей применения таких систем можно выделить службы быстрого реагирования МЧС, МВД, скорую помощь, мониторинг местоположения физических лиц в интересах безопасности и контроля и др.

Определяющее значение здесь имеют повышение безопасности перевозок и сохранности груза, оптимизация транспортных маршрутов и, как следствие, сокращение расходов и возрастание эффективности работы. Другая категория - владельцы дорогих, престижных иномарок. Автовладелец получает не только возможность автономной навигации автомобиля, но и преимущество оперативного противодействия угону транспортного средства, получения достоверной информации о своем автомобиле.

Основной задачей подобных навигационных комплексов является контроль за местоположением и состоянием подвижных объектов, но помимо этого они позволяют решать целый ряд специфических задач. В частности:

• получение оперативной информации о местоположении и состоянии транспортных средств, отображение движения транспортных средств на электронных картах в режиме реального времени;

• автоматизация контроля за движением автотранспорта и действиями водителя;

• повышение безопасности перевозок и личной безопасности водителя, а также судовождения за счет предоставления информации о местоположении судов и границ фарватера;

• оптимизация транспортных маршрутов;

• противодействие угонам транспортных средств и др.

Спутниковые системы радиоместоопределения - сравнительно новая, быстро развивающаяся ветвь навигации или отслеживания перемещения подвижных объектов [12] - [14]. Спутниковые системы местоопределения подвижных объектов базируются на использовании радиолиний, обеспечивающих передачу сигналов между подвижным объектом, искусственным спутником Земли (ИСЗ) и наземной станцией. При этом подвижный объект, ИСЗ и наземная станция оснащаются радиотехническим оборудованием в зависимости от используемой конфигурации системы и метода определения координат объекта. Далее будут рассмотрены три наиболее распространенных типа конфигурации систем местоопределения. Спутниковой радионавигационной системой принято называть систему, в которой группировка ИСЗ выполняет роль опорных радионавигационных точек. К числу таких систем относятся NAVSTAR (США) и "Глонасс"(Россия). NAVSTAR (NAVigation System using Timing And Ranging) или GPS (Global Positioning System). Эти системы относятся к категории пассивных систем с самоопределением. В них радиопередатчик имеется только на навигационных ИСЗ, а аппаратура, размещаемая на подвижном объекте, имеет только приемник сигналов ИСЗ, устройство обработки сигналов и вычисления координат объекта. В данных навигационных системах результаты вычисления координат объекта имеются только на самом объекте, т.е. аппаратура объекта сама определяет свои координаты. Общепринятое название этой аппаратуры - аппаратура потребителя спутниковой навигации (АП-СН). Основное назначение спутниковых навигационных систем (СНС) -глобальная оперативная навигация приземных подвижных объектов: наземных (сухопутных, морских, воздушных) и низкоорбитальных космических. То есть любой объект (корабль, самолет, автомобиль или просто пешеход) в любом месте приземного пространства в любой момент времени способен всего за несколько секунд определить параметры своего движения - три координаты и три составляющие вектора скорости. Но это очень дорогостоящие системы.

В работах В.К. Попкова [15] - [16] рассматривается пси-система (передача сигнальной информации), которая имеет актуальность и в настоящее время по причине малой стоимостью, простоты и надежности. Кроме того, эти сети позволяют организовать телефонную связь и передачу данных с любого места территории города или из автомобиля, что позволяет представить альтернативный вариант многофункциональной системы передачи сигнальной информации в экстренных ситуациях или передачи краткосрочного кодового сообщения с помощью радиосвязи.

Такая система позволит организовать:

• систему наблюдений за объектами с целью предупреждения чрезвычайных ситуаций;

• систему охраны и помощи для предприятий и граждан города;

• поисковую службу и определения местонахождения клиента.

Основу предлагаемой системы составляет сеть опорных приемо-пере-дающих станций, которые устанавливаются на существующих абонентских линиях (квартирных, учрежденческих, таксофонах и др.) и в которых осуществляется предварительная обработка сообщений полученных от передатчиков клиентов с последующей передачей соответствующих кодов в базовую станцию соответствующей услуги.

В работах [17] - [21] описываются задачи связанные с проблемами поиска движущегося объекта и моделирования поисковых систем.

Материал диссертации состоит из введения, трех глав и заключения. В главе первой диссертации рассматривается классификация систем место определения объекта [22]- [28]. В основу классификации систем и способов место определения положен подход, рекомендованный Международным консультативным комитетом по радио (МККР) Международного Союза Электросвязи в Отчете 904-1 XVI Пленарной ассамблеи (Дубровник, 1986 г.). Согласно данной классификации рассматриваются системы автоматического (автоматизированного) определения местоположения транспортного средства (англоязычная аббревиатура - AVL - Automatic Vehicle Location systems). Система AVL состоит из нескольких подсистем: определения местоположения, передачи данных, управления и обработки данных.

Заключение

Основными результатами диссертационной работы являются:

1. Разработан метод покрытия заданной местности радиодоступом. Предложено несколько алгоритмов, в том числе алгоритм с использованием экспертных знаний.

2. Доказана и теоретически обоснована верхняя оценка количества блокпостов для восстановления пути из одного пункта в другой, а также предложен алгоритм их расстановки.

3. Разработаны алгоритмы для нахождения площади зоны уверенного приема сигнала и доказана их полиномиальная трудоемкость.

4. Разработан и реализован алгоритм поиска движущегося объекта: нахождение средней точки (приближенные координаты объекта) и его направление движения относительно заданных ОППС.

5. Разработана и реализована программа, которая определяет приближенную кусочно-линейную траекторию движения.

6. Построена статистическая модель движения тела, учитывающая наличие ошибок в канале связи и доказаны следующие оценки: среднеквадратичная ошибка сглаженной координаты и среднеквадратичная ошибка экстраполированной на один обзор координаты.

1. Вильям Столлингс. Беспроводные линии связи и сети. М.: "Диалектика 2003.2J И.П. Норенков, В.А. Трудоношин. Телекоммуникационные технологии и сети// -М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998. 232 с.

2. Зорин М., Писарев Ю., Соловьев П. Беспроводные сети: современное состояние и перспективы. Connect! // Мир связи №4, с. 104, 1999.

3. Зорин М., Писарев Ю., Соловьев П. Радиооборудование диапазона 2,4 ГГц: задачи и возможности // PCWeek/Russian Edition №20-21, с. 18, 1999.

4. А. Колесов. Беспроводные сети России: проблемы, достижения, перспективы //"Мир связи. Коннект"№ 7-8, с.80-85, 1997.

5. Ю. Гуревич, В. Петрищев. Некоторые особенности построения беспроводных сетей // " Экспресс-Электроника"М 2/2003

6. Ю. Писарев. Беспроводные сети: на пути к новым стандартам // PC Magazine/Russian Edition, № 10. с. 184, 1999.

7. Ю. Писарев. Безопасность беспроводных сетей //PC Magazine/Russian Edition №12, с. 97, 1999.

8. Себастиан Рапли. ЛВС без ограничений //PC Magazine/Russian Edition №12, с. 105, 1999.

9. Френк Дж. Дерфлер, мл., Лес Фрид. Беспроводные ЛВС //PC Magazine/Russian Edition №6, 2000.

10. И. Молта Д., Фостер-Вебстер А. Тестируем оборудование для беспроводных ЛВС стандарта 802.11 // Сети и системы связи №7, с. 29, 1999.

11. Н. Н. Петров, Местоопределение подвижных объектов на основе спутниковых навигационных систем // "Специальная Техника"№1-2 1999.

12. Jill Tarter, Спутниковая геодезия и навигация: за пределами мира: GPS аппаратура помогает осуществлять поиск внеземного разума // журнал Professional Surveyor, 2002.

13. Ярошенко С, Спутниковые навигационные системы GPS и ГЛОНАСС// "IT News №03, 2006.

14. В.К.Попков. Многофункциональная система передачи сигнальной информации./ / Научно-практическая конференция "Развития телекоммуникаций региона" Новосибирск, 1-3 ноября 1995.

15. В.К.Попков. Городские навигационные системы передачи сигнальной информации (ПСИ-системы). // Журнал "Ионосфера" №5 2000г Новосибирск.

16. М. McGuire, K.N. Plataniotis, A.N. Venetsanopoulos Environment and Movement Model for Mobile Terminal Location Tracking. //Wireless Personal Communications 24: 483-505, 2003.

17. G. Cho. Using prefetching preditive to improve location awareness of mobile information service.// P.M.A. Sloot et al. (Eds.): ICCS 2002, LNCS 2331, pp. 11281136, 2002. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2002

18. Rodionov A.S., Antyufeev V.S., Choo H., and Youn H.Y. Some Problems of Soft Handoff Modeling Proc. of the Seventh International conference on Information Networks, Systems and Technologies, Belarus, October 2-4. 2001. - Vol. 1. - P.34-38.

19. Омарова Г.А., Попков B.K Моделирование систем поиска и слежения за движущимися объектами// с146-155, Труды ИВМиМГ СО РАН серия: информатика, выпускб, Новосибирск, 2006.

20. Омарова Г.А., Попков В.К Задачи, связанные с моделированием систем поиска за движущимися объекта и с помощью радиодоступа// Материалы Российской научно-технической конференции: Информатика и проблемы телекоммуникаций, Новосибирск 2007, с167-168.

21. Петров Н.Н. Системы и комплексы технических средств местоопределения подвижных объектов. Журнал "Специальная техника", 2000.

22. Соловьев Ю.А. Системы спутниковой навигации, Москва 2000.

23. Система CDMA http://www.cdma-ukraine.com/cdma/

24. Журнал "ТЮНИНГ". Охранно-поисковые системы, апрель 2005.

25. Журнал "ТЮНИНГ". Навигация, 2005.

26. Акимов П.С., Евстратов Ф.Ф., Захаров С.И. и др. Навигация. Наведение и оптимизация управления. М.: Наука, 1978.

27. Андрианов В. И., Соколов А. В. Автомобильные охранные и противоугонные системы, http://arlit.boom.ru/Book/TAuto/gl

28. Андрусевич JI.K., Беленький В.Г. Распространение радиоволн. Учебное пособие для радиотехнических специальностей вузов. Новосибирск, СибГУТИ, 2000.

29. Белкин В. Радиоканал системы передачи извещений, www.cnord.ru

30. Волошин С.Б. Семенов Г.А. и др. Радионавигационные системы сверх длинноволнового диапазона. М.: Радио и связь, 1985.

31. Дежурный И.И., Кузьмин В.М Радиостанции подвижной связи: Справочник М: Связь, 1979.

32. Ляхов В. К., UA4HUL Как распространяются радиоволны, http://news.cqham.ru/articles/

33. Мельник Ю.А., Зубкович С.Г. и др.Радиолокационные методы исследования Земли./, -М.: Советское радио, 1980.35. "Радиоволны", http://www.diagram.com.ua/

34. Радиолокационные устройства (теория и принципы построения). Под ред. В.В. Григоряна-Рябова.- М.: Сов. Радио, 1970.37. "Радиотелефон от чего зависит дальность радиосвязи", http://www.technoplus.ru/home/home.htm

35. Радиоизмерения. Методы и эталоны.- М.: Мир, 1967.

36. Радиокод.-М.: Воениздат, 1952.

37. Радиоизмерительные приборы. Каталог-проспект. 1965-1966.-М.:ВНИИТЭИР,1965

38. Радиотехнические измерения. Труды институтов комитета. Вып. 44(104). М.: Стандартиздат, 1960.

39. Черный Ф.Б. Распространение радиоволн, Москва, 1962.

40. Шумилин М.С. и др. Радиопередающие устройства. М.: Высшая школа, 1981.

41. Давыдов Г.В. Сети связи. Москва, 1978.

42. Лазарев В.Г., Савин Г.Г. Сети связи управления и коммутации. Москва 1973.4753