автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Создание инфраструктуры радиотехнической системы позиционирования и диспетчеризации подвижных объектов на основе использования городских пространственно-распределенных радиоэлектронных средств

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А. Н. ТУПОЛЕВА

Кафедра радиоуправления

На правах рукописи

кардовский александр петрович

удк 621.396.98.

создание инфраструктуры радиотехнической системы позиционирования и диспетчеризации подвижных объектов на основе использования городских пространственно-распределенных радиоэлектронных

средств!

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 05.12.17- Радиотехнические и телевизионные системы и устройства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор Урецкий Ян Семенович

Казань 1998

Оглавление

Список условных обозначений и сокращений 4

Введение 5

1. Позиционирование и диспетчеризация подвижных объектов в 11 условиях города.

1.1. Применение систем позиционирования и диспетчеризации 11 подвижных объектов.

1.2. Особенности построения систем позиционирования и 17 диспетчеризации подвижных объектов в условиях больших городов.

1.3. Постановка задачи исследований. 25

2. Обработка измерений навигационного параметра в 30 урбанизированных условиях.

2.1. Анализ факторов, влияющих на качество 30 позиционирования.

2.2. Повышение качества позиционирования за счет 38 использования алгоритма классификации измерений и оценки

их достоверности.

2.3. Методы оценивания параметров движения объекта. 48 Выводы по II главе. 55

3. Интеграция системы позиционирования и диспетчеризации в 56 инфраструктуру пространственно-распределенных радиотехнических средств.

3.1. Обобщенное описание системы и проблемы ее создания. 56

3.2. Обобщенное описание инфраструктуры пространственно- 71 распределенных радиотехнических средств.

3.3. Обобщенное описание проблемы интеграции системы 79 позиционирования в инфраструктуру пространственно-

распределенных радиотехнических средств.

Выводы по III главе. 84

4. Возможность практической реализации системы 85

позиционирования и диспетчеризации в г. Казани. 4.1 Построение обобщенной структуры системы 85

позиционирования и диспетчеризации ПО и алгоритмов обработки навигационной информации.

4.2. Модель инфраструктуры пространственно-распределенных 89 радиотехнических средств г.Казани.

4.3. Проект системы и ее праксеологический анализ. 92 Выводы по IV главе 102 Заключение 103 Список литературы 105 Приложение 116

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВМП вычислитель местоположения

ГИИ геоинформационная инфраструктура

ДС диспетчерская станция

ИНП измеритель навигационного параметра

НИС неподвижный источник измерительного сигнала

ОС опорная станция

ПИС приемник информационного сигнала

ПН подвижный объект, оборудованный наземной

навигационной системой

ПО подвижный объект

ПРД передатчик

ПС подвижный объект, оборудованный спутниковой и

наземной навигационными системами

ПУ приемное устройство

РЛС радиолокационная станция

РНС радионавигационная система

СПД система позиционирования и диспетчеризации

СРС среда распространения сигнала

СРНС спутниковая радионавигационная система

ЦДС центральная диспетчерская станция

ВВЕДЕНИЕ

Интеграционные тенденции развития мирового хозяйства значительным образом влияют на динамику информационных потоков. Простое увеличение пропускной способности телекоммуникационных каналов не обеспечивает растущие потребности общественных институтов в области передачи и обработки информации. Необходимо применение качественно новых технологий, позволяющих представлять информацию ассоциированной с некоторыми объектами и образами. Одним из перспективных путей ассоциативной обработки информации является концепция геоинформационных систем и технологий. Замечено [69], что территориальную привязку имеет до 80% процентов всей распределенной информации, а визуальное представление информации значительно облегчает понимание ее человеком.

Наиболее сложной задачей, не имеющей на сегодняшний день однозначного решения, является интеграция в геоинформационную инфраструктуру подвижных объектов. Интеграция подвижных объектов заключается в определении их местоположения, обмене информацией с диспетчерским пунктом и визуализация на электронной карте. Технология диспетчерской подвижной радиосвязи в условиях города изучена достаточно хорошо [6, 21, 24, 40, 57, 60, 64, 67, 68, 75, 79, 84-86, 96, 105], чего нельзя сказать о методах позиционирования подвижных объектов в урбанизированных условиях.

Исследования в области позиционирования велись в основном в направлении судовой и авиационной навигации и радиолокации [7, 10, 12, 16-19, 22, 48, 61, 62, 77, 81, 93, 95, 97, 101, 108]. Позиционирование подвижных объектов в условиях города занимало лишь небольшую часть среди этих разработок [111-116, 119-121, 123-127, 129], а с широким распространением спутниковых позиционирующих систем исследования в данной области практически прекратились. Но несмотря

на высокие технические характеристики спутниковых систем, существуют многие категории потенциальных пользователей, для которых они неприемлемы в связи с высокой стоимостью (например охранные устройства автотранспортных средств).

Большинство разработок в области позиционирования и диспетчеризации подвижных объектов ориентированы на решение конкретных задач отдельных пользователей, создание единой телекоммуникационной среды, обеспечивающей оперативный обмен информацией, инфраструктуры, объединяющей в себе различные категории пользователей не предполагалось.

Таким образом, существующий пробел среди разработок прикладного позиционирования требует проведения исследований, направленных на изучение специфики создания системы позиционирования и диспетчеризации подвижных объектов в условиях больших городов, удовлетворяющих требованиям интеграции в существующую инфраструктуру пространственно-распределенных радиоэлектронных средств, методов анализа качества функционирования таких систем, а также способов формирования оптимальной структуры и методов оценки эффективности при проектировании новых и выборе уже существующих систем позиционирования и диспетчеризации.

В соответствии с этим актуальна основная цель диссертации:

Повышение эффективности радиотехнических систем позиционирования и диспетчеризации подвижных объектов за счет их интеграции в инфраструктуру городских пространственно-распределенных радиоэлектронных средств.

Достижение указанной цели требует решения следующих основных задач:

■ Разработка методов позиционирования подвижных объектов в условиях больших городов.

■ Выбор методов организации передачи информации между подвижными объектами и центральной диспетчерской станцией в условиях больших городов.

■ Разработка принципов интеграции системы в существующую инфраструктуру пространственно-распределенных радиоэлектронных средств.

■ Синтез на основе обобщенного анализа системы позиционирования и диспетчеризации, с возможностью интеграции в геоинформационную инфраструктуру.

Итогом работы являются следующие результаты, выносимые на защиту:

О Метод повышения точности позиционирования подвижных объектов в условиях больших городов.

О Алгоритм обработки навигационной информации в системе позиционирования и диспетчеризации, адаптированный к условиям распространения радиоволн в условиях города.

О Структура комплексной системы позиционирования и диспетчеризации подвижных объектов в условиях большого города, методика ее оптимизации.

О Методика синтеза системы позиционирования и диспетчеризации на основе интеграции в инфраструктуру пространственно-распределенных радиотехнических средств.

Структура работы.

Диссертационная работа изложена на 126 страницах машинописного текста, содержит 17 рисунков и 13 таблиц, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 129 наименований и приложения.

Во введении указаны основные проблемы создания систем позиционирования и диспетчеризации подвижных объектов в условиях города, обоснована актуальность и новизна работы, сформулирована ее цель, приведены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена задачам позиционирования и диспетчеризации подвижных объектов в условиях города.

Проведенный анализ требований потребителей и существующих систем позиционирования и диспетчеризации подвижных объектов показал, что создание системы, удовлетворяющей интересам различных категорий пользователей, возможно на основе комплексирования спутниковых и наземных средств связи и позиционирования. Избыточность затрат при создании системы, может быть устранена на этапе разработки за счет интеграции в существующую инфраструктуру радиоэлектронных средств и учета интеграционных взаимодействий локальных подсистем, отвечающих за решение частных подзадач отдельных категорий потребителей.

Сформулирована задача, решаемая в диссертационной работе.

Вторая глава посвящена особенностям позиционирования подвижных объектов в условиях города.

Проведен анализ факторов, влияющих на точность определения местоположения подвижного объекта. Показано, что наряду с флуктуационной, динамической, и аппаратурной, появляется составляющая погрешности, обусловленная особенностями распространения электромагнитных волн в урбанизированных условиях. Эта составляющая погрешности зачастую существенно превышает остальные и не может быть снижена и устранена при помощи изменения частотно-энергетических характеристик системы.

Рассмотрены способы повышения точности позиционирования подвижных объектов. Установлено, что в условиях многолучевого

распространения сигнала, использование дальномерных измерений с оптимизированным по критерию минимума ошибки задержки сигнала алгоритмом первичной обработки, способно повысить реальную точность местоопределения подвижных объектов по сравнению с традиционными методами.

Рассмотрены методы повышения достоверности обработки навигационной информации, адаптированные к урбанизированным условиям, на основе создания избыточности измерений. Показано, что достоверность определения местоположения подвижных объектов может быть повышена за счет использования методов классификации многомерных наблюдений при наличии обучающей информации о характере возмущающих воздействий среды распространения радиоволн.

Рассмотрено применение способов оценки состояния динамической системы по методу наименьших квадратов для позиционирования подвижного объекта.

Третья глава посвящена интеграции системы позиционирования и диспетчеризации подвижных объектов в инфраструктуру пространственно-распределенных радиотехнических средств.

Проведено обобщенное описание системы позиционирования и диспетчеризации подвижных объектов, а также инфраструктуры существующих радиоэлектронных средств.

Рассмотрены способы создания избыточности измерений навигационного параметра. Установлено, что избыточность измерений навигационного параметра может быть создана при использовании в качестве инфраструктуры позиционирования совокупности существующих городских пространственно-распределенных

радиоэлектронных средств.

Рассмотрены принципы построения системы, протоколы информационных потоков, и методика интеграции в существующую

инфраструктуру пространственно-распределенных радиотехнических средств.

Четвертая глава посвящена возможности практической реализации системы позиционирования и диспетчеризации подвижных объектов.

Проведен анализ интеграционных свойств инфраструктуры пространственно-распределенных радиоэлектронных средств г.Казани. Из всего многообразия существующих радиотехнических средств и систем для детального рассмотрения были выделены следующие:

телевещательные системы;

радиовещательные системы и системы пейджинга;

системы подвижной радиосвязи.

Синтезирован проект системы позиционирования и диспетчеризации подвижных объектов для г.Казани для решения определенного круга задач и проведен праксеологический анализ.

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы.

Приложение содержит справочную информацию об инфраструктуре существующих пространственно-распределенных радиоэлектронных редств г. Казани, а также распечатку программы моделирования статистического алгоритма обработки навигационной информации, написанной на языке С++ для компилятора Borland С++ Builder 3.

Глава 1. Позиционирование и диспетчеризация подвижных объектов в условиях города.

§1.1. Применение систем позиционирования и диспетчеризации подвижных объектов

Разрастание транспортных коммуникаций, постоянное увеличение количества транспортных средств и интенсивности их использования, для обеспечения надежной и безаварийной работы, повышения экономической эффективности от их использования, требуют автоматизации управления подвижными объектами, учета и планирования их маршрутов.

Попытки автоматизировать управление различными видами подвижных средств предпринимались достаточно давно [6, 21, 64, 75, 84, 86, 96, 105, 111-116, 119-121, 123-127, 129], но результаты не всегда оправдывали ожидания, что объяснялось высокой стоимостью создания подобных систем, неразвитостью необходимой информационной инфраструктуры, и как следствие, низким экономическим эффектом от внедрения.

В настоящее время, совершенствование технологии сбора, передачи и обработки пространственных данных, средств отображения результатов, происходящее на фоне снижения стоимости компьютерных, радиоэлектронных и навигационных систем, делает экономически оправданным создание автоматизированных систем управления подвижными объектами для широкого круга задач различных категорий пользователей.

Одним из перспективных направлений в области обработки пространственно-распределенной информации является концепция геоинформационных систем и технологий [8, 15, 65, 107].

В системах оперативного управления подвижными объектами (ПО) в условиях города, в отличии от классических геоинформационных систем, наибольшее значение имеет не точность представления пространственных

данных на электронной карте, а контроль за изменением местоположения объектов и их свойств. Учитывая, что каждый объект обладает статическими (атрибуты) и динамическими (состояния) параметрами, в формировании которых принимают участие различные муниципальные, федеральные и коммерческие службы, то можно сделать вывод, о необходимости телекоммуникационной среды, обеспечивающей оперативный обмен информацией (смена состояния объектов, модификация атрибутов, изменение пространственного положения и т.п.).

Необходимо отметить [55], что если для водного и воздушного транспорта на первом плане по техническим трудностям остается обеспечение точности и безопасности навигации, то на суше эти требования существенно ниже. Здесь точность является не самоцелью, а аргументом, наряду с другими техническими параметрами при определении некоторой обобщенной функции экономической эффективности.

Для определения требований, предъявляемых к диспетчерским системам, рассмотрим потенциальных потребителей, нуждающихся в постоянном контроле за передвижением автотранспортных средств по территории города или района, в возможности управлять состоянием подвижного объекта, на основе анализа ситуации, непосредственно с центрального диспетчерского пункта. В виду того, что наиболее противоречивые требования со стороны потенциальных пользователей предъявляются к элементам системы, отвечающим за определение местоположения подвижных объектов и обеспечение непрерывной диспетчерской связи, остановимся подробнее на анализе круга задач, решаемых с помощью системы в каждом конкретном случае, и наборе параметров в наибольшей степени влияющих на качество (вероятность) выполнения поставленной задачи.

Анализ опыта использования геоинформационных технологий для различного вида применений [8, 15, 65, 55, 84, 111-116, 119-121, 123-127, 129] позволил выделить основные категории пользователей систем позиционирования и диспетчеризации (СПД) подвижных объектов, которые приведены в табл. 1.1. Данная классификация требует некоторого пояснения.

Таблица1.1 Требования различных категорий пользователей к системе позиционирования и диспетчеризации. ___

Категории потребителей Точность Скорость Число по Период Примечания

1. ГАИ, МВД, МЧС и т.д. <10м < 120км/ч 300 1-5с защита от преднамеренных помех, высокая надежность связи

2.Перевозка ценных грузов <10м < 120км/ч 10 1с то же

3. Автоперевозки по фиксированным маршрутам <100м (отн т.марш) <30км/ч 300 30с

4.Автоперевозки в пределах всей территории города <30 Ом <60км/ч 300 Юс

5. Охранная система деж. режим <300м <120км/ч 10000 20с низкая стоимость

задержание <30м <120км/ч 10 1с 0з<0,3с)

6. Индивидуальная навигационная система <10м <30км/