CC BY
118
УДК 621.396.932.1
Вестник СибГАУ Том 17, № 1. С. 125-130
РАЗРАБОТКА БОРТОВОГО УСТРОЙСТВА СПУТНИКОВОГО МОНИТОРИНГА
ВОЗДУШНЫХ СУДОВ
А. В. Кацура, А. Р. Акзигитов*, А. С. Андронов, Д. Е. Строков, Р. А. Акзигитов
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: aakzigitov88@mail.ru
Развитие межмашинного взаимодействия по всему миру не могло не затронуть авиационную отрасль. Оно основано на обмене данными между машинами без участия человека. Это значительно упрощает процесс мониторинга объектов. Применение беспроводных видов связи позволяет осуществлять контроль удаленных объектов, включая подвижные. Одним из таких видов связи является GSM-связь. Благодаря относительно широкому покрытию связь GSM используется для передачи данных местоположения и датчиков подвижного объекта. Однако территория Российской Федерации имеет неполный охват GSM-связью. Для мониторинга воздушных судов в таких районах необходимо задействовать спутниковую связь. Предложено использовать спутниковую группировку компании Iridium для обеспечения доступа к связи в труднодоступных районах полетов воздушных судов. Ключевая особенность спутников Iridium, а именно полный охват земной поверхности, стала определяющей при выборе резервного способа связи.
Модуль передачи данных Iridium 9602 соответствует поставленным авторами работы требованиям к устройству. Передача пакета данных по 340 байт позволяет снизить затраты на спутниковую связь. С точки зрения экономических показателей оптимальным решением стало резервирование блоком Iridium GSM-связи. В первую очередь, это связано со стоимостью услуг по предоставлению связи. Таким образом, при недоступном канале GSM будет задействован канал Iridium. Основными элементами экспериментального устройства являются микроконтроллер, спутниковый модем Iridium 9602, модуль GSM, модуль GPS/ГЛОНАСС MGGS2217, высокочастотные приемная и передающие антенны. Размещение устройства мониторинга на борту воздушного судна позволит с точно установленным интервалом получать данные местоположения и скорости. Анализ рынка аналогичных устройств показал, что основной и единственный канал связи в таких блоках — связь GSM. Блоки, оснащенные модулями спутниковой связи, передают данные через спутники Inmarsat, связь с которыми затруднительна в приполярных районах.
Ключевые слова: Iridium, устройство мониторинга, GPS, ГЛОНАСС, GSM.
Vestnik SibGAU Vol. 17, No. 1, P. 125-130
DEVELOPMENT OF ONBOARD DEVICE FOR SATELLITE MONITORING OF AIRCRAFT
A. V. Katsura, A. R. Akzigitov*, A. S. Andronov, D. E. Strokov, R. A. Akzigitov
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk 660037, Russian Federation E-mail: aakzigitov88@mail.ru
The development of "Machine-to-machine" interaction couldn't but affect aviation sphere worldwide. It is based on the data exchange between machines without participation of a person. It considerably simplifies the process of monitoring of objects. Application of wireless types of communication allows to provide control of remote objects, including the mobile. One of such types of communication is GSM communication. Thanks to rather wide covering, communication of GSM is used for the data transmission of location and sensors of mobile object. However the territory of the Russian Federation has incomplete coverage by GSM communication. For monitoring of aircrafts it is necessary to involve satellite communication in such areas. It is offered to use satellite group of the Iridium company for ensuring access to communication in remote areas of flights of aircrafts. The key feature of Iridium satellites, full coverage of a terrestrial surface, became the communication defining at a choice of a reserve way.
The module of data transmission Iridium 9602 conforms to the requirements put by the authors of work to the device. Transfer of a package of data on 340 bytes allows to lower costs of satellite communication. From the point of view of economic indicators, reservation by the communication Iridium of GSM became the optimum decision. First
of all, it is connected with the cost of services in providing communication. Thus, at the inaccessible GSM channel the Iridium channel will be involved. Basic elements of the experimental device are: the microcontroller, the satellite Iridium 9602 modem, the GSM module, the GPS/GLONASS MGGS2217 module, a high-frequency reception and the transferring antennas. Placement of the device of monitoring onboard the aircraft will allow to receive these locations and speeds with precisely established interval. The analysis of the market of similar devices showed that the main and only communication channel in such blocks - communication of GSM. The devices equipped with modules of satellite communication transmit data through Inmarsat satellites communication with which is difficult in subpolar areas.
Keywords: Iridium, monitoring device, GPS, GLONASS, GSM.
Введение. Спутниковый мониторинг подвижных объектов всё чаще находит свое применение у транспортных компаний. Он основан на активно развивающемся способе обмена информацией между объектами - машинном взаимодействии Machine-to-machine (M2M). Данный способ применяется для любых объектов, снабжённых устройствами, с которых необходимо получать оперативную информацию. К таким устройствам относятся датчики температуры отдалённых объектов, сейсмодатчики, счетчики банкоматов и т. д. По состоянию на 2010 г., в мире использовались миллиарды устройств, способных вести обмен данными между собой [1]. Для мобильных и отдаленных объектов мониторинга применяется беспроводной способ обмена данными. Такой способ, как правило, подразумевает использование GSM-связи для передачи данных на пункт мониторинга. Реже применяется радиосвязь и сети Wi-Fi. Главным преимуществом использования GSM-связи перед последними является широкое покрытие и предоставление операторами сотовой связи специальных условий для пользователей [2]. Через канал GSM на частотных диапазонах 850/900/1800/1900 МГц возможно передавать данные о местоположении устройства мониторинга, размещенного на подвижном объекте. Местоположение устройства определяется по сигналам спутников GPS и ГЛОНАСС. Координаты объекта привязаны к показаниям датчиков. Таким образом, нескольким точкам на карте, определяющим местоположение подвижного объекта, соответствуют различные показания датчиков. Передачу данных по каналу GSM осуществляют GSM-модули, имеющие широкое применение в современных М2М-системах [3]. Типовой GSM-модуль содержит порты ввода/вывода, интерфейс SIM-карты, выход питания, антенну, вход аналогово-цифрового преобразователя, отладочный интерфейс. Однако для осуществления полноценного мониторинга воздушных судов одного лишь GSM-канала недостаточно из-за ограниченного покрытия. Особенно актуальной эта проблема становится для восточных регионов Российской Федерации, включая приполярные зоны [4]. Наиболее известные компании спутниковой связи Iridium и Inmarsat предоставляют свои услуги для систем M2M [5; 6]. Отличие заключается в расположении спутниковых группировок. Система Iridium имеет 66 низкоорбитальных спутников и 6 дополнительных. Передача данных осуществляется через межспутниковые связи и не требует промежуточных станций, а охват земной поверхности составляет 100 % [7; 8]. Inmarsat имеет 11 геостационарных спутников, связь с которыми становится недоступной на широтах ±85° [9]. Спутниковая система Iridium
отвечает поставленным при разработке устройства требованиям, а именно, максимально возможный охват земной поверхности для замещения системы GSM в случае отсутствия её сигнала.
Трансивер Iridium 9602. Трансивер Iridium 9602 представляет собой блок с разъёмами для антенн GPS и Iridium. Передача данных на модуль осуществляется на порт RS-232 в составе 20-контактного разъёма. Отдельно трансивер предназначен для приема пакетов данных с контроллера для передачи через спутниковый канал Iridium. Конфигурация оборудования, включающая питание, микроконтроллер для управления, антенну, определяется разработчиком устройств на базе модуля; 20-контактный разъём содержит выводы электроснабжения постоянным током, управление питанием, интерфейс данных, доступ сети, индикацию питания [10]. Особенностями модуля являются:
- малые габаритные размеры;
- единый алюминиевый корпус;
- отсутствие SIM-карты;
- максимальный размер данных для отправки -340 байт;
- максимальный размер данных для получения -270 байт.
Специальный протокол собирает данные о нескольких точках местоположения, которые при достижении объема в 340 байт отправляются по каналу Iridium. Это объясняется достаточно высокой стоимостью спутникового трафика [11], которая не позволяет использовать протоколы сжатия, аналогичные GSM, и отправлять данные с высокой периодичностью. Целесообразно c экономической точки зрения использовать канал Iridium для передачи данных местоположения только при нахождении устройства вне зоны покрытия сети GSM.
На рис. 1 изображена схема передачи SBD (Short Bust Data) трафика по каналу Iridium [12]. Один пакет содержит информацию о показаниях датчиков, привязанных к нескольким координатам. При достижении размера пакета 340 байт осуществляется его отправка на наземный комплекс управления (НКУ). Таким образом, при получении сервером данных со спутников они распаковываются, и на НКУ передается информация сразу о нескольких точках на карте. Такой метод передачи данных позволяет существенно снизить затраты на отправку данных.
Приемный модуль MGGS2217. Модуль MGGS2217 представляет собой плату с односторонним монтажом закрытого исполнения с 28 контактными площадками [13]. Модуль ведет параллельный прием и обработку
сигналов с координатами и скоростью от спутников GPS и ГЛОНАСС на частотах 1575-1610 МГц. Передача информации со спутников на микроконтроллер по умолчанию производится с частотой 1 Гц. Совместное использование сигналов GPS/ГЛОНАСС увеличивает точность определения местоположения объекта мониторинга [14-16]. Прием данных со спутника может обеспечиваться через пассивную и активную антенны, подключаемые к высокочастотному разъему. Ключевые особенности модуля:
- смена режима работы через персональный компьютер;
- 80 каналов в режиме поиска и 20 - в режиме слежения;
- время определения местоположения при холодном старте - 25 с;
- наличие UART-интерфейса.
Устройство мониторинга. Взятая за основу конфигурация устройства мониторинга включает в себя антенну ГЛОНАСС/GPS, управляющий микроконтроллер и модуль GSM. Данные о местоположении вместе с показаниями датчиков передаются на НКУ. В работе [17] для мониторинга беспилотного летательного аппарата (БПЛА) авторами предлагалось использовать Iridium 9602 как основной модуль для передачи координат и высотно-скоростных параметров БПЛА. Однако стоимость отправки пакетов данных через одну только спутниковую связь может поставить под вопрос экономическую целесообразность подобного мониторинга [11] при большой продолжительности полётов. Для гражданской авиации или государственной авиации, в частности авиации МЧС, необходимо спутниковый канал использовать в качестве резервного. На рис. 2 изображена структурная схема устройства с трансивером Iridium 9602.
Рис. 1. Схема передачи данных по каналу Iridium [13]
Рис. 2. Структурная схема устройства мониторинга ВС
Рис. 3. Внешний вид платы устройства мониторинга
Для передачи данных о высоте, скорости и координатах ВС МК формирует пакеты данных, полученных с приемного модуля MGGS 2217. Каждые 5 минут МК опрашивает трансивер Iridium и модуль GSM. В случае отсутствия GSM-сигнала МК формирует пакет данных размером 340 байт и отправляет его на трансивер, который, в свою очередь, передаёт их на спутник. Использование второго канала также повышает надежность устройства [18]. Питание устройства обеспечивается бортовой сетью постоянного тока напряжением 27 В. На рис 3 изображена плата экспериментального варианта устройства, собранная на базе устройства мониторинга наземного транспорта МЧС УТП-М-01-8.004 [19] с дополнительно установленным авторами модулем Iridium 9602. Плата размещается в закрытом корпусе. К двум высокочастотным разъемам подключаются антенные фидеры GPS/ГЛОНАСС и Iridium. Данная модель собрана авторами исключительно в экспериментальных целях на базе МЧС и не подлежит серийному производству.
Заключение. Совершенствование мониторинга воздушных судов стало неизбежным без применения спутниковых систем связи. Очевидно, что радиус действия наземных станций связи ограничен, и нет возможности по технико-экономическим причинам разместить их на всей поверхности Земли [20]. Экспериментальная модель блока объединяет в себе использование наземных станций GSM как основных для мониторинга и в качестве резервного канала - спутниковой связи Iridium. Взятое за основу готовое устройство УТП-М-01-8.004 имело только GSM-канал для передачи координат. По результатам проведенного эксперимента, при котором устройство размещалось на борту вертолета МИ-8 МЧС, было выявлено, что при полетах на крейсерской скорости обеспечивается возможность передачи координат местоположения на диспетчерский пункт по обоим каналам - GSM
и Iridium. Отличие заключалось в том, что использование канала Iridium, как и ожидалось, приводило к большей задержке отправки данных с борта ВС. Таким образом, авторами работы предложен и опробован на ВС метод мониторинга с использованием спутникового канала Iridium. Следующий этап разработки устройства требует опробования экспериментальной модели на ВС с большей крейсерской скоростью и по результатам эксперимента - принятия решения о совершенствовании элементной базы.
Библиографические ссылки
1. Harbor Research - Machine-to-Machine (M2M) & Smart Systems Market Forecast [Электронный ресурс]. URL: http://www.slideshare.net/harborresearch/harbor-research-machine-to-machine-m2-m-smart-systems-market-forecast (дата обращения: 14.12.15).
2. Киселев А. Н. Новый GSM/GPRS-модуль Sagem HiLo: особенности применения в М2М-приложениях // Беспроводные технологии. 2008. № 4(13). С. 18-21.
3. Паллаб Ч. А. Системы передачи данных требуют развития М2М-автоматизации // Электронные компоненты. 2013. № 9. С. 27-30.
4. Кацура А. В., Моховиков И. С. Улучшение точностных и надежностных характеристик аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем в высоких широтах // Актуальные проблемы авиации и космонавтики : материалы VIII Всерос. науч.-техн. конф. В 2 т. Т. 1. Технические науки. Информационные технологии. Сообщения школьников / СибГАУ. Красноярск. 2012. С. 190-191.
5. Iridium M2M [Электронный ресурс]. URL: https://www.iridium.com/solutions/m2m (дата обращения: 15.12.15).
6. M2M Services [Электронный ресурс]. URL: http:// www.inmarsat.com/wp-content/uploads/2013/ 11/Inmarsat_ M2M_Services.pdf (дата обращения: 15.12.15).
7. Невдяев Л., Смирнов А. Персональная спутниковая связь. М. : Эко-Трендз, 1998. 216 с.
8. Глобальная сеть: группировка спутников [Электронный ресурс]. URL: http://iridium.steccom.ru/ wp-content/uploads/2012/09/IRDM_Global-Network_ SateUiteConstellation_DATASHEET_27Sep2010_RU.pdf (дата обращения: 15.12.15).
9. Fleet Broadband coverage [Электронный ресурс]. URL: http://www.inmarsat.com/wp-content/uploads/2013/ 10/Inmarsat_FleetBroadband_Coverage_Map.pdf (дата обращения: 15.12.15).
10. Iridium 9602 SBD Transceiver Developer's Guide [Электронный ресурс]. URL: http://nearspace.ru/ doc/Iridium-9602-SBD-Transceiver-Product-Developers-Guide.pdf (дата обращения: 15.12.15).
11. Iridium SBD [Электронный ресурс]. URL: http://satphones.eu/en/content/24-iridium-sbd-rudics (дата обращения: 16.12.15).
12. Спутниковый мониторинг. Часть 1 [Электронный ресурс]. URL: http://habrahabr.ru/post/148759/ (дата обращения: 16.12.15).
13. MGGS2217. Руководство по эксплуатации. Версия 1.2. [Электронный ресурс]. URL: http://glonassneva. com/sysfiles/MGGS2217-DS-RU_Glonass-Neva_ver_1 _2.pdf (дата обращения: 16.12.15).
14. Прогноз точности навигационного определения по ГНСС ГЛОНАСС+GPS [Электронный ресурс]. URL: http://www.sdcm.ru/smglo/precisions?version=rus &sist=sum&site=extern (дата обращения: 16.12.15).
15. Соловьев Ю. Системы спутниковой навигации. М. : Эко-Трендз, 2000. 260 с.
16. Зандер Ф. В., Кацура А. В., Гейман В. Н. Приемное устройство авиационных навигационных комплексов и пеленгаторов // Решетневские чтения : материалы XVII Междунар. науч. конф. В 2 ч. Ч. 2. / СибГАУ. Красноярск. 2013. С. 362-264.
17. Батурин Т. Н., Сушков А. А., Боев Н. М. Разработка автономного приемопередающего устройства спутниковой связи с функцией бортового регистратора для беспилотных летательных аппаратов // Современные проблемы радиоэлектроники : материалы Всерос. науч.-тех. конф. / СФУ. Красноярск. 2014. С. 22-25.
18. Лукасов В. В., Кацура А. В. Надежность летательных аппаратов и авиационных двигателей / СибГАУ. Красноярск. 2005. 76 c.
19. Устройство терминальное программируемое УТП-М-01-8.004. Техническое описание. Орел : ЗАО НТЦ «Навигатор Технолоджи», 2008. 68 с.
20. Кацура А. В, Таранов А. И. Локальные дифференциальные подсистемы спутниковых радионавигационных систем // Актуальные проблемы авиации и космонавтики : материалы VIII Всерос. науч.-тех. конф. В 2 т. Т. 1. Технические науки. Информационные технологии. Сообщения школьников / СибГАУ. Красноярск. 2012. С. 198-199.
References
1. Harbor Research - Machine-to-Machine (M2M) & Smart Systems Market Forecast. Avaible at: http://www. slideshare.net/harborresearch/harbor-research-machine-to-
machine-m2-m-smart-systems-market-forecast (accessed 14.12.15).
2. Kiselev A. N. [New GSM/GPRS module Sagem HiLo: features of application in M2M]. Besprovodnye tekhnologii. 2008, Vol. 4, No. 13, P. 18-21 (In Russ.).
3. Pallab Ch. A. [Data communication drives M2M automation processes]. Elektronnye komponenty. 2013, No. 9, P. 27-30.
4. Katsura A. V., Mokhovikov I. S. [Improvement precision and reliability of characteristics of the equipment of consumers of satellite radio navigational systems in high latitudes]. Aktual'nye problemy aviatsii i kosmonavtiki: materialy VIII Vseross. nauch.-tekh. konf. [Actual problems of aircraft and astronautics: proceedings of the VIIIth All-Russian scientific and technical conference]. Krasnoyarsk, SibSAU, 2012, P. 190-191 (In Russ).
5. Iridium M2M. Avaible at: https://www.iridium. com/solutions/m2m (accessed 15.12.15).
6. M2M Services. Avaible at: http://www.inmarsat. com/wp-content/uploads/2013/11/Inmarsat_M2M_Services. pdf (accessed 15.12.15).
7. Nevdyaev L. M., Smirnov A. A. Personal'naya sputnikovaya svyaz' [Personal satellite communication]. Moscow, Eko-Trendz publ., 1998, 216 p.
8. Global 'nay a set': gruppirovka sputnikov [Global network: group of satellites]. Avaible at: http://iridium. steccom.ru/wp-content/uploads/2012/09/IRDM_Global-Network_SatelliteConstellation_DATASHEET_27Sep2010 _RU.pdf (accessed 15.12.15).
9. Fleet Broadband coverage. Avaible at: http:// www.inmarsat.com/wp-content/uploads/2013/10/Inmarsat _FleetBroadband_Coverage_Map.pdf (accessed 15.12.15).
10. Iridium 9602 SBD Transceiver Developer's Guide. Avaible at: http://nearspace.ru/doc/Iridium-9602-SBD-Transceiver-Product-Developers-Guide.pdf (accessed 15.12.15).
11. Iridium SBD. Avaible at: http://satphones.eu/en/ content/24-iridium-sbd-rudics (accessed 16.12.15).
12. Sputnikovyy monitoring. Chast' 1 [Satellite monitoring. Part 1] (In Russ.). Avaible at: http://habrahabr.ru/ post/148759/ (accessed 16.12.15).
13. MGGS2217. Rukovodstvo po ekspluatatsii. Versiya 1.2. [MGGS2217. Operation manual. Version 1.2.] (In Russ.). Avaible at: http://glonassneva.com/sysfiles/ MGGS2217-DS-RU_Glonass-Neva_ver_1_2.pdf (accessed 16.12.15).
14. Prognoz tochnosti navigatsionnogo opredeleniya po GNSS GLONASS+GPS [Forecast of accuracy of navigation definition for GLONASS+GPS]. Avaible at: http://www.sdcm.ru/smglo/precisions?version=rus&sist=s um&site=extern (accessed 16.12.15).
15. Solov'ev Yu. A. Sistemy sputnikovoy navigatsii [Systems of satellite navigation]. Moscow, Eko-Trendz publ., 2000, 260 p.
16. Zander F. V., Katsura A. V., Geyman V. N. [Intake of aviation navigation complexes and direction finders]. "Reshetnevskie chteniya": materialy XVII Mezhdunar. nauch. konf. ["Reshetnev readings": proceedings of the XVIIth International scientific conference]. Krasnoyarsk, SibSAU, 2013, P. 362-264 (In Russ.).
17. Baturin T. N., Sushkov A. A., Boev N. M. [Development of the self-contained send-receive unit of satellite communication with function of the onboard registrar for unmanned aerial vehicles]. Sovremennye problemy radioelektroniki: materialy vseross. nauch.-tekh. konf. [Modern problems of radio electronics: proceedings of All-Russian scientific and technical conference]. Krasnoyarsk, Siberian Federal University, 2014, P. 22-25 (In Russ.).
18. Lukasov V. V., Katsura A. V. Nadezhnost' letatel'nykh apparatov i aviatsionnykh dvigateley. [Reliability of aircraft and aviation engines.]. Krasnoyarsk, SibSAU Publ., 2005, 76 p.
19. Ustroystvo terminal'noe programmiruemoe UTP-M-01-8.004. Tekhnicheskoe opisanie. [Terminal and
programmable device UTP-M-01-8.004. Technical description]. Orel, ZAO NTTs "Navigator Tekhnolodzhi" Publ., 2008, 68 p.
20. Katsura A. V, Taranov A. I. [Local differential subsystems of satellite radio navigational systems]. Aktual'nye problemy aviatsii i kosmonavtiki: materialy VIII Vseross. nauch.-tekh. konf. [Actual problems of aircraft and astronautics: proceedings of the VIIIth All-Russian scientific and technical conference]. Krasnoyarsk, SibSAU, 2012, P. 198-199 (In Russ).
© Kaqypa A. B., Ak3hfhtob A. P., Ah^pohob A. C., CrpoKOB fl. E., AK3HrHTOB P. A., 2016
