Способы определения местоположения транспортных средств

Создание математического фильтра обработки цифровой траектории, полученной в результате движения транспортного средства по автомобильной дороге

Цель работы – разработать математический фильтр обработки цифровой траектории движения, полученной в результате движения транспортного средства с имеющимся на борту приемником DGPS по автомобильной дороге .

Введение

В настоящее время Западная Европа и Соединенные Штаты Америки как центры расположения наиболее развитых стран переживают демографический рост населения. Обязательным атрибутом любого крупного города является большое количество автомобилей на дорогах. Возникающие по этим причинам пробки в часы “пик” на городских дорогах являются серьезной проблемой городов. С одной стороны это потери тысяч долларов во время простоя автомобилей, а с другой – загрязнение и не без того грязного городского воздуха. Проблемы городского передвижения возникают в основном для легковых автомобилей, потому как движение грузовых осуществляется по объездным и шоссейным дорогам. Но и тут есть свои трудности, заключающиеся в выборе оптимальных маршрутов движения и немедленного реагирования на дорожно-транспортные происшествия.

Решением проблемы передвижения на городской территории есть увеличение числа объездных и кольцевых дорог. Но так как с финансовой точки зрения строительство новой дороги является мероприятием, которое требует больших денежных вливаний, то имеется необходимость применения некоторой системы управления транспортными средствами.

К задачам такой системы управления можно отнести следующие:

— слежение за маршрутами городского движения;

— перераспределение автомобилей с напряженных маршрутов движения;

— прокладка и выбор оптимальных путей следования;

— немедленное реагирование на дорожно-транспортные происшествия.

Основными компонентами (составляющими) такой системы являются:

1) Система ориентирования (навигации).

2) Устройство хранения информации. Содержит Базы Данных (БД) по всем автомобильным дорогам в зависимости от района эксплуатации автомобиля.

3) Система обмена данными.

Так как процесс определения местоположения транспортного Так как процесс определения местоположения транспортного средства посредством приемника GPS выполняется с ошибками, то для точной идентификации его на ЦКД необходимо наличие так называемой истории движения транспортного средства, то есть информации о координатах траектории проделанного пути. Чем больше размер истории движения автомобиля, тем точнее и надежней работают алгоритмы привязки положения передатчика к цифровой карте. Но так как информация не может накапливаться бесконечно, то есть смысл передавать данные по принципу описания минимальным количеством данных максимальной длины пройденной траектории движения. Из этого следует, что задача обработки информации о местоположении транспортного средства заключается в сокращение количества данных за счет отбраковки ошибочных, то есть описание траектории движения максимальной длины минимальным количеством точек местоположения.

1 Автомобильная навигационная система

Задачи определения местонахождения автомашин, других транспортных средств, ценных грузов и т.п. 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. Актуальными являются задачи автоматизированного местоопределения подвижных объектов в составе систем комплексного обеспечения безопасности. Систему автоматического определения местоположения транспортного средства (в дальнейшем, следуя англоязычной аббревиатуре, — AVL — Automatic Vehicle Location местоположение подвижного средства определяется автоматически по мере перемещения его в пределах данной географической зоны. Система AVL обычно состоит из подсистемы определения местоположения, подсистемы передачи данных и подсистемы управления и обработки данных.

1.1 Классификация систем определения местоположения по назначению

— диспетчерские системы, в которых осуществляется централизованный контроль в определенной зоне за местоположением и перемещением подвижных объектов в реальном масштабе времени одним или несколькими диспетчерами

— системы, находящимися на стационарных оборудованных диспетчерских центрах; это могут быть системы оперативного контроля перемещения патрульных автомашин, контроля подвижных объектов, системы поиска угнанных автомашин;

— системы дистанционного сопровождения, в которых производится дистанционный контроль перемещения подвижного объекта с помощью специально оборудованной автомашины или другого транспортного средства; чаще всего такие системы используются при сопровождении ценных грузов или контроле перемещения транспортных средств;

— системы восстановления маршрута, решающие задачу определения маршрута или мест пребывания транспортного средства в режиме постобработки на основе полученных тем или иным способом данных; подобные системы применяются при контроле перемещения транспортных средств, а также с целью получения статистических данных о маршрутах.

1.2 Методы определения местоположения транспортного средства с помощью автомобильных навигационных систем

Конкретные реализации AVL систем часто включают в свой состав технические средства, обеспечивающие несколько способов определения местоположения. В зависимости от размера географической зоны, на которой действует AVL система, она может быть:

— локальной, т.е. рассчитанной на малый радиус действия, что характерно в основном для систем дистанционного сопровождения;

— зональной, ограниченной границами населенного пункта, области, региона;

— глобальной, для которой зона действия составляет территории нескольких государств, материк, территорию всего земного шара.

С точки зрения реализации функций местоопределения AVL системы характеризуются такими техническими параметрами как точность местоопределения и периодичность уточнения данных. Эти параметры зависят от зоны действия AVL системы. Чем меньше размер зоны действия, тем выше должна быть точность местоопределения. Методы определения местоположения, используемые в AVL системах, можно разбить на три основных категории: методы приближения, методы навигационного счисления и методы определения местоположения по радиочастоте.

1.3 Пример автомобильной навигационной системы

Система AVL представляет собой совокупность устройств для получения координат местоположения транспортного средства, для передачи их на расстояния, для представления их на цифровой карте и решения с их помощью задач навигации.

Рис. 1.3.1 Функционирование автомобильной навигационной системы.

Данные о местоположении транспортного средства (Mobile Unit) , полученные с помощью пользовательского сегмента GPS посредством сетей коммуникации (Communication Network) передаются на станцию управления (Base Station) , где с помощью пакетов обработки (Software) решаются задачи навигации (Рис. 1.3.1).

1.3.1 Глобальная система позиционирования

Как упоминалось выше, одним из методов, используемых автомобильными навигационными системами, является метод радионавигации с помощью СРНР GPS NAVSTAR . Глобальная Система Позиционирования GPS (Global Positioning System).

GPS представляет собой совокупность трех сегментов :

— космический сегмент (набор искусственных спутников Земли, расположенных в околоземной орбите) ;

— сегмент управления (станция управления и станции слежения, расположенных на Земле) ;

— пользовательский сегмент (аппаратура потребителей).

GPS базируется на спутниковой системе NAVSTAR. Предназначение GPS – определение координат точек объектов, расположенных на суше, море, вблизи поверхности Земли и в ближнем космосе.

В околоземном пространстве развернута сеть искусственных спутников Земли (ИСЗ), равномерно покрывающих всю земную поверхность. Орбиты ИСЗ вычисляются с высокой точностью, что дает возможность в любой момент времени получить координаты каждого спутника. Радиопередатчики спутников непрерывно излучают сигналы в направлении Земли. Эти сигналы принимаются GPS-приемником, находящемся в некоторой точке земной поверхности, координаты которой подлежат определению.

В приемнике измеряется время распространения сигнала от ИСЗ к приемнику и вычисляется дальность “спутник-приемник”. Поскольку для определения местоположения точки нужно знать три координаты (плоские координаты X, Y и высоту Z ), то в приемнике должны быть измерены расстояния до трех различных ИСЗ. Этот метод навигации носит название беззапросного метода. При его использовании точное определение времени распространения сигнала возможно лишь при наличии синхронизации временных шкал спутника и приемника. Для этого в состав аппаратуры ИСЗ и приемника входят эталонные часы (стандарты частоты). Бортовые часы всех ИСЗ синхронизированы и привязаны к так называемому “системному времени”. Фактически в измерениях времени всегда присутствует ошибка, возникающая из-за несовпадения шкал времени ИСЗ и приемника. По этой причине в приемнике вычисляется искаженное значение дальности к спутнику или “псевдодальность”. Измерения расстояний до всех ИСЗ, с которыми в данный момент работает приемник, происходит одновременно. Следовательно, для всех измерений величину временного несоответствия можно считать постоянной. С математической точки зрения это эквивалентно тому, что неизвестными являются не только координаты X,Y и Z , но и поправка часов приемника. Для их определения необходимо выполнить измерения псевдодальностей не до трех, а до четырех спутников.

В результате обработки этих измерений в приемнике вычисляются координаты (X,Y и Z ) и точное время. Если приемник установлен на движущемся объекте и наряду с псевдодальностями измеряет доплеровские сдвиги частот радиосигналов, то может быть вычислена и скорость объекта. Таким образом, для выполнения необходимых навигационных определений надо обеспечить постоянную видимость с нее, как минимум, четырех спутников. GPS система дает возможность в любой точке Земли наблюдать от 5 до 12 спутников в произвольный момент времени. Современные GPS-приемники имеют от 5 до 12 каналов, т.е. могут одновременно принимать сигналы от такого количества ИСЗ. Избыточные измерения (сверх четырех) позволяют повысить точность определения координат и обеспечить непрерывность решения навигационной задачи.

Рис. 1 .3 .1.4 Расположение наземных станций управления GPS системы

Сегмент управления содержит главную станцию управления (авиабаза Фалькон в шт. Колорадо), пять станций слежения, расположенных на американских военных базах на Гавайских островах, островах Вознесения, Диего — Гарсия, Кваджелейн и Колорадо- Спрингс и три станции закладки:острова Вознесения, Диего — Гарсия, Кваджелейн (Рис. 1.3.1.4). Кроме того, имеется сеть государственных и частных станций слежения за ИСЗ, которые выполняют наблюдения для уточнения параметров атмосферы и траекторий движения спутников. Собираемая информация обрабатывается в суперкомпьютерах и периодически передается на спутники для корректировки орбит и обновления навигационного сообщения.

Космический сегмент Состоит из 26 спутников (21 основной и 5 запасных), которые обращаются на 6 орбитах. Плоскости орбит наклонены на угол около 55° к плоскости экватора и сдвинуты между собой на 60° по долготе. Радиусы орбит — около 26 тыс. км, а период обращения — половина звездных суток.

1.3.1.1 Дифференциальная GPS

При полном исчерпание технического потенциала NAVSTAR-GPS при использовании одного автономно работающего приемника GPS точность позиционирования с учетом искусственных факторов влияющих на ограничение точности последняя может быть достигнута в пределах ± 100 м. Для решения задач ориентирования такой точности не достаточно. Увеличение ее возможно посредством применения одного из радионавигационных способов. Он заключается в следующем. Положение опорной станции известно с высокой точностью. Из получаемых данных на опорной станции по мере их поступления идет постоянное вычисление координат(местоположения) этой станции. Из разницы между существующими координатами и вычисленными в каждый момент наблюдения определяется величина корректного значения. Под условием, что наблюдения, производимые на станциях, находящихся вблизи опорной станции, в равной степени как и измерения выполненные на самой опорной станции, подвержены подобным ошибкам. Ошибки на всех станциях могут быть редуцированы посредством добавления к ним корректурной величины, вычисленной на опорной станции(Рис. 1.3.1.1.1). Применяемый метод носит название дифференциального метода GPS или DGPS ( Differential Global Positioning System ). Применение этого метода дает более точное определение местоположения.

Рис. 1.3.1.1.1 Принцип действия приемника DGPS.

Из Рис. 1.3.1.1.1 станция управления (Base Station) и мобильная станция ( Mobile Unit ) для определения своего местоположения используют один и тот же набор спутников (GPS Satellites) . На станции управления по известным и полученным координатам ее местоположения определяется величина коррекционного значения, которая пересылается на мобильную станцию. На Рис. 1.3.1.1.1 с мобильной станции на станцию управления передаются данные о местоположении транспортного средства, а со станции управления на движущееся транспортное средство передаются коррекционные значения местоположения мобильной станции.

1.3.1.2 Особенности использования приемника GPS для автомобильной навигации в городских условиях .

Можно выделить три основных случая, когда данные полученные с помощью GPS приемника на мобильной станции сами по себе некорректны. Эти случаи показаны на рис. 1.3.1.2.1

Рис. 1.3.1.2.1 Ограничения в использования приемника GPS в городских условиях.

Первый случай , показанный на рис. 1.3.1.2.1 , показывает невозможность получения сигнала со спутника на автомобильной дороге, проходящей через тоннель.

Второй случай — невозможность получения сигнала со спутника при прохождении автомобилем участка дороги с перекрытием.

Третий случай — закрытие сигнала со спутника высокими строениями на городской территории.

1.3.2 Использование технологии Dead Reckoning для автомобильной навигации.

Метод слежения, используемый в автомобильных навигационных системах для определения местоположения транспортного средства, реализуется с помощью технологии Dead Reckoning .

Рис. 1.3.2.1 Идея технологии Dead Reckoning

Рис. 1.3.2.1 показывает сущность метода Dead Reckoning , которая заключается в следующем. Движение транспортного средства осуществляется из точки с известными координатами ( X ₀ и Y ₀) и начальным направлением.Используя датчики скорости движения транспортного средства V_i и времени следования t_i , в каждый момент времени есть возможность следить за длиной пройденного пути S_i .

Датчик направления движения дает значения приращения угла отрезка движения. Используя начальное направление можно получить направление в текущей точке движения путем добавления приращения и получить ее координаты.

Так выполняется для каждой точки траектории движения, то есть координаты каждой последующей точки получаются на основании координат и направления движения предыдущей точки местоположения.

Данная технология основывается на системе датчиков, которые контролируют положение автомобиля на уличной сети города. К таким датчикам относятся датчики скорости, направления движения и др. Применения этой технологии навигации без приемника GPS дает недопустимые по точности результаты, так как ошибки, которые возникают в этой системе зависимы одна от другой и следовательно имеют способность накапливаться. Преимущества ее над системой GPS состоит в возможности контролирования положения автомобиля на участках автомобильной дороги (Рис. 1.1.2.1), где получение сигнала со спутника ограничена. На рисунке 1.1.3.1 участок траектории движения, показанный пунктиром определяет местонахождения тоннеля, следовательно сигнал спутника GPS ограничен. Технология Dead Reckoning продолжает функционировать.

Рис. 1.3.2.2 Использование двух различных технологий навигации на одном участке движения.

На рис. 1.3.2.2 показаны две траектории движения, полученные в результате движения транспортного средства с использованием и без использования технологии Dead Reckoning. На участке дороги, где находится тоннель (участок выделен двумя пунктирными линиями) значение, полученные с помощью только приемника GPS ( обозначены точками в виде квадрата ), отсутствуют, а значение точек движения, полученные с применением технологии Dead Reckoning ( обозначены точками в виде кружка ) продолжают фиксироваться.

1.3.3 Ошибки GPS

На точность определения координат существенное влияние оказывают ошибки, возникающие при выполнении процедуры измерений.

1. Неточное определение времени. При всей точности временных эталонов ИСЗ существует некоторая погрешность шкалы времени аппаратуры спутника.

2. Ошибки вычисления орбит. Появляются вследствие неточностей прогноза и расчета эфемерид спутников, выполняемых в аппаратуре приемника. Эта погрешность носит систематический характер.

3. Инструментальная ошибка приемника. Обусловлена наличием шумов в электронном тракте приемника. Отношение сигнал/шум приемника определяет точность процедуры сравнения принятого от ИСЗ и опорного сигналов, т.е. погрешность вычисления псевдодальности..

4. Многолучевость распространения сигнала. Появляется в результате вторичных отражений сигнала спутника от крупных препятствий, расположенных в непосредственной близости от приемника. При этом возникает явление интерференции, и измеренное расстояние оказывается больше действительного. Аналитически данную погрешность оценить достаточно трудно, а наилучшим способом борьбы с нею считается рациональное размещение антенны приемника относительно препятствий.

5. Ионосферные задержки сигнала. Ионосфера – это ионизированный атмосферный слой в диапазоне высот 50 – 500 км, который содержит свободные электроны. Наличие этих электронов вызывает задержку распространения сигнала спутника, которая прямо пропорциональна концентрации электронов и обратно пропорциональна квадрату частоты радиосигнала. Для компенсации возникающей при этом ошибки определения псевдодальности используется метод двухчастотных измерений на частотах L1 и L2 (в двухчастотных приемниках). Линейные комбинации двухчастотных измерений не содержат ионосферных погрешностей первого порядка. Кроме того, для частичной компенсации этой погрешности может быть использована модель коррекции, которая аналитически рассчитывается с использованием информации, содержащейся в навигационном сообщении.

6. Тропосферные задержки сигнала. Тропосфера – самый нижний от земной поверхности слой атмосферы (до высоты 8 – 13 км). Она также обуславливает задержку распространения радиосигнала от спутника. Величина задержки зависит от метеопараметров (давления, температуры, влажности), а также от высоты спутника над горизонтом. Компенсация тропосферных задержек производится путем расчета математической модели этого слоя атмосферы. Необходимые для этого коэффициенты содержатся в навигационном сообщении.

7. Ошибка вызванная несовпадением фазового центра антенны с фактическим. Ошибка носит систематический характер.

8 . Геометрическое расположение спутников. При вычислении суммарной ошибки необходимо еще учесть взаимное положение потребителя и спутников рабочего созвездия. Для этого вводится специальный коэффициент геометрического ухудшения точности PDOP (Position Dilution Of Precision), на который необходимо умножить все перечисленные выше ошибки, чтобы получить результирующую ошибку. Величина коэффициента PDOP зависит от взаимного расположения спутников и приемника. Она обратно пропорциональна объему фигуры, которая будет образована, если провести единичные векторы от приемника к спутникам. Большое значение PDOP говорит о неудачном расположении ИСЗ и большой величине ошибки. На Рис. 1.3.3.1 приведены примеры удачного Рис. 1.3.3.1 A и неудачного Рис. 1.3.3.1 Б геометрического положения спутников. Типичное среднее значение PDOP колеблется от 4 до 6.

Рис. 1.3.3.1 Геометрия расположения спутников GPS

1. 3.3.1 Ошибка многолучевости распространения сигнала GPS

Из всех ошибок, возникающих при использовании приемника DGPS на мобильной станции необходимо выделить одну, влияние которой носит случайный характер. Влияние этой ошибки в значительной степени проявляется на застроенной территории.

Ошибка носит название многолучевости распространение сигнала (die Mehrwegausbreitung, Multipath). Ее влияние на точность в современной навигации, использующей для определения координат местоположения GPS приемник, носит особый характер. Сигнал со спутника приходит на GPS приемник не по прямой линии, а отражаясь от какой-нибудь поверхности тем самым удлиняя траекторию следования сигнала от спутника к приемнику, что дает ошибку в окончательные координаты местоположения приемника. Наиболее ‘опасными’ отражающими поверхностями являются вертикальные металлические конструкции и железобетонные здания, которые в основном встречаются на застроенной территории. В последнем случае ошибка может достигать 100 метров. При использовании (D)GPS в навигации второй приемник, расположенный на транспортном средстве, находится в постоянном движении. Следовательно, ошибка, возникшая из-за многолучевости распространения сигнала, искажая координаты местонахождения приемника, искажает траекторию следования транспортного средства.

Рис. 1. 3.3 .1 .2 Действие ошибки многолучевости распространения сигнала при движении автомобиля в городских условиях

На рисунке 1. 3.3 .1 .2 показано движение автомобиля на застроенной территории. Рис. 1. 3.3 .1 .2 А сплошные линия от спутников к автомобилю показывают движение прямого сигнала, линия направленная в здание показывает невозможность получение сигнала, а штриховая показывает движение отраженного сигнала. Рис. 1. 3.3 .1 .2 В сигнал от каждого спутника используется для расчета местоположение автомобиля, блокированный и отраженные сигналы отсутствуют. Рис. 1. 3.3 .1 .2 С одновременно с двух спутников идет отраженный сигнал на приемник автомобиля.

4 Постановка задачи

Имеется совокупность точек, заданных координатами X,Y и упорядоченных во времени, которые описывают траекторию движения транспортного средства по автодороге, состоящей из прямолинейных и круговых сопряженных сегментов.

4.1 Гипотеза 1

Полученная по точкам траектория при отсутствии ошибок измерений координат представляет собой траекторию подобную оси автодороги с точностью ошибок аппроксимации кривой ломанной при заданном интервале

4.2 Гипотеза 2

Наличие ошибок измерений с недопустимой точностью искажают цифровую траекторию движения

4.3 Задача

По результатам измерений восстановить истинную траекторию движения транспортного средства.

5 Результаты работы

5.1.1 Обработка моделируемых данных для части траектории, описывающей прямолинейный участок дороги

Рис. 5.1.1.1 Траектория движения транспортного средства по прямолинейному участку дороги со случайными грубыми и незначительными ошибками и частотой фиксации сигнала со спутника 1 Гц до обработки

Рис. 5.1.1.2 Траектория движения транспортного средства по прямолинейному участку дороги со случайными грубыми и незначительными ошибками и частотой фиксации сигнала со спутника 1 Гц после обработки

5.1.2 Обработка моделируемых данных для части траектории, описывающей криволинейный участок дороги

Рис. 5.1.2.1 Траектория движения транспортного средства по криволинейному участку дороги со случайными грубыми и незначительными ошибками и частотой фиксации сигнала со спутника 1 Гц до обработки

Рис. 5.1.2.2 Траектория движения транспортного средства по криволинейному участку дороги со случайными грубыми и незначительными ошибками и частотой фиксации сигнала со спутника 1 Гц после обработки

Созданный математический фильтр обработки цифровой траектории, полученной в результате движения транспортного средства по автомобильной дороге, в состоянии обрабатывать и давать положительные результаты работы точек движения автомобиля. Полученная после обработки цифровая траектория отвечает следующему требованию, а именно описание максимальной длины траектории минимальным количеством точек движения.

Источник