Навигационно-телекоммуникационные системы мониторинга подвижных объектов, мобильных групп и центров управления Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

НАВИГАЦИОННО-ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ, МОБИЛЬНЫХ ГРУПП И ЦЕНТРОВ УПРАВЛЕНИЯ

М. А. Сонькин, В. З. Ямпольский

Институт кибернетики Национального исследовательского Томского политехнического университета, 634034, Томск, Россия

УДК 681.3.06

Представлены системотехнические решения задач построения навигационно-телекоммуника-ционных систем мониторинга подвижных объектов, мобильных групп и центров управления, основанные на интеграции информационных, навигационных и космических технологий.

Ключевые слова: телекоммуникация, навигация, беспилотный летательный аппарат, мобильная группа, контроллер.

The article describes the engineering decisions on designing the navigating-telecommunication systems of monitoring mobile objects, mobile groups and control centers, that are based on integration of the achievements of information, navigation and space technologies.

Key words: telecommunication, navigation, pilotless flying object, mobile group, controller.

Актуальность задач мониторинга и сопровождения подвижных объектов и мобильных групп обусловлена вовлечением в общую экономическую деятельность все большего числа удаленных и труднодоступных территорий, распределенных технологических объектов (линий электропередач, трубопроводов, гидротехнических сооружений), развитием транспортной инфраструктуры (железнодорожной, автомобильной, водной, авиационной) и повышением транспортной активности предприятий и населения в масштабах стран, регионов и континентов.

Возрастает также потребность в мониторинге и сопровождении транспортных единиц и перемещаемых материально-технических ресурсов, мобильных сил и средств, центров наблюдения, координации и управления. Создаваемые для этой цели с использованием современных средств связи навигационно-телекоммуникационные системы позволят повысить в меняющихся климатических условиях и логистических ситуациях, а также при возникновении технических сбоев и организованного противодействия эффективность решения различных задач мобилизации и использования сил и средств в кризисных ситуациях.

Необходимость создания навигационно-телекоммуникационных комплексов нового поколения (НТК НП) обусловлена, с одной стороны, стремительно нарастающим спросом на коммуникации и информационные взаимодействия в условиях глобализации экономики, с другой — мировым прогрессом технологий и систем передачи данных (СПД). Особым спросом НТК пользуются в организациях и системах быстрого реагирования на природные, техногенные и иные критические ситуации.

В последние годы вследствие активного развития беспроводных сетей, имеющих ряд очевидных технических и стоимостных преимуществ, а также за счет увеличения мощно-

Передача сигнала TDM DVB-S (QPSK, FEC 3/4, код RS 204/188)

Прием сигнала TDM DVB-S (QPSK, FEC 3/4, код RS 204/188)

Высокочастотное оборудование центральной станции

Зона ответственности оператора^

Рис. 1. Схема организации связи с удаленными и труднодоступными объектами в сети УЯЛТ

сти отечественных и зарубежных спутниковых группировок появились новые технические и технологические возможности для создания НТК НП .

Спутник и тем более спутниковые группировки охватывают большую зону земной поверхности и в этом смысле являются "широко охватывающей" технологией связи географического масштаба. Спутник является практически незаменимым средством доступа в СПД для удаленных и труднодоступных районов страны (Арктика, Чукотка и т. п.). Кроме того, возникает большое количество специальных и экстремальных ситуаций, в которых связь через спутник становится единственно возможным способом доступа в СПД (корабль в дальнем плавании, охотник или группа в горах, тайге и пустыни).

В настоящее время на территориях России и сопредельных государств существует достаточно широкий набор систем спутниковой связи, используемых для передачи данных: глобальные системы спутниковой связи Globalstar (Глобалстар), Iridium (Иридиум), Inmarsat (Инмарсат), "Гонец", а также региональные (локальные, действующие только в зоне видимости обслуживающих их геостационарных спутников) системы Thuraya (Турайя), Inmarsat (Инмарсат) BGAN, сети связи различных операторов на базе оборудования VSAT. Зона покрытия российского сегмента системы спутниковой связи Глобалстар включает всю территорию России, а также территории ряда соседних государств [1, 2].

Система спутниковой связи VSAT (very small aperture terminal) — относительно небольшая станция спутниковой связи, предназначенная, главным образом, для надежного обмена данными по спутниковым каналам (рис. 1).

На базе оборудования VSAT различными операторами создано огромное количество сетей, при этом темп возникновения новых и развития действующих сетей постоянно возрастает. В настоящее время только в России действует не менее 50 операторов, сети которых содержат более 500 терминалов.

В последние годы разработка и исследование СПД с использованием спутниковых и иных каналов связи ведутся различными компаниями в ряде стран мира. Основными производителями современного оборудования СПД являются Cisco Systems, 3 COM, Allied Telesis, D-linK. Вместе с тем большинство разработок этих известных компаний ориентированы на использование конкретных типов каналов без их интеграции. Не обеспечена в должной мере централизованная обработка разнородной информации, программно-аппаратные комплексы и центры управления не интегрированы в единое информационное пространство. На рынке отсутствуют также комплексы для обеспечения интеграции данных, поступающих в мобильные центры мониторинга с беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Широкие возможности БПЛА по мониторингу достаточно больших территорий с воздуха используются в основном автономно.

Анализ существующих телекоммуникационных систем и комплексов связи и сопровождения подвижных объектов показывает, что технические и программные средства бортовых устройств, каналообразующей аппаратуры, средств связи и отображения информации не обеспечивают в должной мере решения постоянно расширяющегося спектра задач, стоящих перед соответствующими организациями и ведомствами, осуществляющими мониторинг и эффективное взаимодействие подвижных объектов, мобильных групп, центров координации и управления. Все это также свидетельствует об актуальности проблемы разработки НТК НП. Такой комплекс должен создаваться как инновационный продукт, как результат интеграции информационных, телекоммуникационных, геоинформационных, навигационных и космических технологий [3-5].

Таким образом, НТК НП должен отличаться:

— новизной архитектурных и системотехнических решений по построению основных компонентов комплекса;

— расширенной функциональностью, обеспечиваемой модельным, алгоритмическим и программным обеспечением;

— автономностью, модульностью и агрегативностью основных компонентов комплекса, создающих возможность для их серийного производства и снижения стоимости;

— простотой модификации применительно к специфике конкретных отраслей, ведомств и структур, возможностью расширения рынка сбыта, прежде всего в тех отраслях РФ и СНГ, в которых уже внедрены предыдущие версии интегрированных телекоммуникационных систем для труднодоступных и подвижных объектов предшествующих поколений.

Комплекс НТК НП должен представлять собой новое многофункциональное аппаратно-программное решение для мониторинга и обмена информацией с мобильными группами, труднодоступными и подвижными объектами и включать БПЛА, автономные микропроцессорные терминалы, контроллеры, персональные компьютеры, спутниковое и навигационное оборудование, многофункциональное программное обеспечение.

Преимуществом НТК НП является включение в его состав БПЛА. С помощью БПЛА и функционала наземной станции управления (НСУ) можно получать видеоизображение, передаваемое БПЛА, фотографии, навигационную информацию (высота, скорость, удаление от точки старта и пр.).

Основные блоки НТКНП и схема их взаимодействия представлены на рис. 2.

Оборудование НТК НП включает следующие элементы:

— персональный компьютер;

— комплекс БПЛА;

— терминал спутниковой связи Инмарсат BGAN;

— радиостанции КВ- и УКВ-диапазонов;

БЕСПИЛОТНЫМ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ

СИСТЕМЫ СПУТНИКОВОИ СВЯЗИ УЭАТ, ИНМАРСАТ, ТУРАЯ

Спутниковый канал (интернет)

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ДИСПЕТЧЕРСКИЙ ПУНКТ

ЛОКАЛЬНАЯ ГРУППА N

Рис. 2. Состав и схема взаимодействия НТК НП

Автомобиль Соболь ( Газель, Баргузин)

— пакетный контроллер ВИП-МК со встроенными сотовым и радиомодемами, навигационным приемником Глонасс/СРЭ;

— комплект видео-конференц-связи.

Основными функциями НТК НП являются:

— голосовая связь, обмен данными с локальными группами;

— ввод, редактирование, передача сообщений;

— сопровождение БПЛА;

— видео-конференц-связь с центральным диспетчерским пунктом;

— предоставление навигационной информации о местонахождении мобильной оперативной группы и характеристиках маршрута;

— накопление и сохранение навигационной информации;

— обмен информацией с другими оперативными группами в автоматическом или ручном режиме.

В качестве интеллектуального ядра НТК НП используется персональный компьютер, с которого осуществляются основные функции управления комплексом. В состав комплекса входят также интеллектуальная антенная система, навигационная система, стандартные и специализированные телекоммуникационные устройства, обеспечивающие пакетную передачу данных и резервирование каналов связи различной физической природы (спутниковые, сотовые, наземные, радиоканалы).

Для повышения мобильности, скорости и качества выполнения задач комплекс оснащается специализированным оборудованием для мобильных групп. Данное оборудование пред-

назначено для проведения различного рода оперативных работ и действий на удалении от центра управления оперативными и (или) спасательными группами и передачи необходимой информации.

Для проведения мониторинга объектов с воздуха на небольшом (менее 30 км) удалении от центра управления оперативных и (или) спасательных групп в состав НТК НП включен БПЛА. Интеграция систем связи и управления БПЛА в составе комплекса позволяет рассматривать данные, поступающие с БПЛА, в формате навигационной информации и производить необходимую обработку их.

Для обмена информацией между модулями и блоками комплекса используется единый формат передачи данных. Для хранения информации, принимаемой и обрабатываемой НТК НП, предназначена единая структура базы данных. Также предусмотрено объединение всех информационных компонентов в единое информационное пространство.

Контроллер мобильной группы выполняет следующие основные функции [6, 7]:

— определение в реальном масштабе времени собственного местоположения по данным систем глобального позиционирования ОРБ/Глонасс;

— сохранение маршрута движения в памяти в соответствии с установленными параметрами;

— формирование пакетов данных для передачи в телекоммуникационный центр;

— изменение параметров оператором мобильной группы;

— передача навигационных данных по каналам связи в центр;

— формирование, прием и передачу текстовых сообщений.

Контроллер телекоммуникационного центра управления обеспечивает:

— выполнение функций, аналогичных функциям, выполняемым контроллером мобильной группы;

— прием навигационных данных, прием и отправка сообщений от нескольких мобильных групп;

— сохранение всех принятых данных и передача их в управляющий компьютер телекоммуникационного центра управления.

Управляющий компьютер телекоммуникационного центра обеспечивает:

— прокладку намеченного маршрута следования;

— отображение текущих данных в процессе движения (скорость, время, отклонение от намеченного курса следования и др.);

— обработку в реальном масштабе времени данных приемника глобального позиционирования с целью исключения сбоев его работы;

— сбор, обработку и хранение собственной навигационной информации;

— сбор, обработку и хранение навигационной информации, получаемой с БПЛА и от мобильных групп;

— сохранение получаемой информации в базе данных;

— отображение на карте геоинформационной системы собственного местоположения, положения БПЛА и мобильных групп, маршрутов их движения, зафиксированных контуров контролируемых объектов и характерных точек их местоположения;

— отображение навигационной информации, накопленной ранее, за любой промежуток времени;

— подключение карт местности различного масштаба, степени детализации и назначения;

— настройку стилей отображения контролируемых объектов;

— получение по любому контролируемому объекту навигационной информации (дата и время создания, площадь объекта, статус точки фиксации местоположения);

— поддержку нескольких каналов связи различной физической природы;

— передачу навигационной информации другим абонентам в автоматическом режиме или по запросу;

— прием навигационной информации от мобильных групп и других подразделений, участвующих в операции, в автоматическом режиме или по запросу и отображение ее на карте;

— хранение различных данных, связанных с конкретным применением НТК НП, и работу с ними;

— видео-конференц-связь между различными абонентами, сохранение и просмотр записей видеоконференций;

— подготовку и печать всевозможных отчетных документов в соответствии с задачами и областью применимости комплекса.

В случае, когда отсутствует необходимость организации нескольких каналов связи с каждой мобильной группой, состав оборудования НТК НП может быть упрощен. При этом в качестве оборудования мобильной группы используется универсальная радиостанция УКВ-диа-пазона, обеспечивающая помимо проведения сеансов голосовой связи передачу данных о местоположении с использованием встроенного ОРБ/Глонасс-приемника, а также набор и передачу текстовых сообщений. В этом случае необходимость использования специализированного контроллера телекоммуникационного центра также отсутствует. Взаимодействие с мобильными группами осуществляет программное обеспечение управляющего компьютера, в котором предусмотрены также:

— реализация протоколов взаимодействия с универсальной радиостанцией;

— прием, обработка и отображение данных о местоположении мобильных групп, формирование на их основе навигационной информации, сохранение ее в формате единого информационного пространства;

— обеспечение ввода, передачи и приема текстовых сообщений, сохранение сообщений в базе данных.

Особая роль в НТК НП отводится программному обеспечению подсистемы "Геоинформационная система", с помощью которого осуществляется:

— подключение карты местности (векторной или растровой) и ее обработка (масштабирование, перемещение, управление параметрами отображения и видимости слоев, измерение расстояний, получение информации об объектах на карте и др.);

— отображение навигационной информации, принимаемой от абонентов, комплекса БПЛА и собственной системы навигации;

— разработка и отображение предварительного маршрута движения;

— отображение ранее сохраненной навигационной информации за промежуток времени, указываемый во временном фильтре;

— настройку стилей отображения информации по каждому абоненту;

— соблюдение режима слежения за абонентом или группой абонентов (получение в автоматическом режиме информации от абонентов и отображение их навигации и местоположения на видимой области карты);

— получение детальной информации о выбранных навигационных объектах на карте: точках, линиях маршрутов, контурах облетов (наименование абонента, время, расстояние, площадь и пр.);

— формирование отчетов для печати с текущим отображением участка карты и запрошенной информации о навигационных данных и абонентах.

Изложенные в данной работе подходы, структуры и решения задач построения аппаратно-программных средств навигационно-телекоммуникационных комплексов нового поколения разрабатываются в Институте кибернетики ТПУ и реализуются (конструкторски, технологически) в группе компаний "ИНКОМ" (Томск) с целью использования в ряде территориально распределенных отраслей и ведомств РФ и стран СНГ.

Список литературы

1. БЕРТСЕКАС Д. Сети передачи данных / Д. Бертсекас, Р. Галлагер. М.: Мир, 2003. 562 с.

2. МИХАЙЛОВ В. Ф. Космические системы связи: Учеб. пособие / В. Ф. Михайлов, В. И. Мош-кин, И. В. Брагин. СПб.: ГУАП, 2006.

3. Сонькин М. А. Принципы построения интегрированных информационно-телекоммуникационных систем оперативного назначения // Вычисл. технологии. 2003. Т. 8. С. 148-156. Спецвыпуск.

4. Сонькин М. А., ДидЕНКО С. В. Программные средства оперативного мониторинга обстановки территории и контроля подвижных объектов // Современные средства и системы автоматизации — гарантия высокой эффективности производства: Материалы 3-й Науч.-практ. конф. Томск: Изд-во Том. ун-та, 2003. С. 71-75.

5. Сонькин М. А., Ямпольский В. З. Обобщенные свойства специальных систем связи и мониторинга для труднодоступных и подвижных объектов // Изв. ТПУ. 2008. Т. 312, № 2. С. 154-156.

6. Сонькин М. А., Ямпольский В. З., Гринемаер В. В. Пакетный контроллер ВИП-МК как системотехническое ядро систем связи и мониторинга для труднодоступных и подвижных объектов // 8-я Междунар. конф. "Средства и системы автоматизации": Сб. тр., Томск, 1-2 нояб. 2007 г. Томск: ТУСУР, 2007. Т. 2. С. 74-79.

7. Бунин С. В., Сонькин М. А., Харламов A. M., Ямпольский В. З. Новые функциональные возможности системы оповещения и резервной документированной связи внутренних войск МВД России // Изв. ТПУ. 2008. Т. 312, № 2. С. 149-153.

Сонькин Михаил Аркадьевич — канд. техн. наук, доц., проректор-директор Института кибернетики ТПУ; e-mail: sonkin@tpu.ru;

Ямпольский Владимир Захарович — д-р техн. наук, проф., зам. директора по научной работе Института кибернетики ТПУ; e-mail: yvz@tpu.ru

Дата поступления — 15.02.11 г.