CC BY
68
УДК 629.058
Малыгина Софья Валерьевна Московский Государственный Технический Университет им. Н.Э.Баумана
DOI: 10.24411/2520-6990-2019-11171 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НАВИГАЦИОННЫХ ДАННЫХ ОБЪЕКТА
Malygina Sofya Valerevna
Bauman Moscow State Technical University
DEVELOPMENT OF A SOFTWARE AND HARDWARE COMPLEX FOR OBJECT NAVIGATION
DATA
Аннотация
Спрос на системы поиска спутниковой навигации и по сей день остается на высоком уровне, что связано с тем, что перед человеком ставятся задачи в зонах, недоступных к подключению сети интернет, а также требуется вести наблюдения за такими объектами как животные или автоматизированная техника, которая не имеет сообщения с оператором. Данный способ имеет свои преимущества, а именно многоканальность, работа в условиях отсутствия интернета, высокая точность определения местоположения, дальность работы и экономическая выгода. В работе представлена часть исследования, посвященная разработке программно-аппаратного комплекса. Раскрыт принцип обмена информации между элементами аппаратной части-персональным трекером объекта, базовой станции и компьютером, на котором с помощью программной части комплекса обрабатываются полученные с базовой станции данные. Также представлена структура программной части, над которой продолжается вестись работа.
Abstract
Demand for satellite navigation search systems to this day remains at a high level, due to the fact that people are assigned tasks in areas inaccessible to connecting to the Internet, and it is also required to monitor such objects as animals or automated equipment that does not has messages with the operator. This method has its advantages, namely multichannel, work in the absence of the Internet, high accuracy of location, range and economic benefits. The work presents a part of the study devoted to the development of a hardware-software complex. The principle of the exchange of information between the elements of the hardware, the personal tracker of the object, the base station and the computer on which the data received from the base station is processed using the software of the complex is disclosed. The structure of the program part, on which work is ongoing, is also presented.
Ключевые слова: GPS, ГЛОНАСС, фильтрация данных, телеметрия, навигация, системы мониторинга, обработка телеметрической информации
Keywords: GPS, GLONASS, data filtering, telemetry, navigation, monitoring systems, telemetry information processing
Введение
Целью создания программно-аппаратного комплекса является возможность отслеживания местоположения объекта на сравнительно большой дальности с высокой точностью, в условиях отсутствия интернета. Формат работы с комплексом предполагает использование заранее загруженных изображений с картой местности, на которой будет проходить операция по поиску или отслеживанию местоположения объекта, к которому будет прикреплен передатчик. Система имеет возможность наблюдения как за одним, так и сразу за несколькими объектами. Учитывая компактность передатчика (далее персонального трекера), объектами наблюдения могут быть как люди, животные, так и техника. В зависимости от поставленной задачи персональный треке должен быть модернизирован под условия использования и местности. В данной работе представлена структура разрабатываемого
комплекса, принцип обмена данными между элементами аппаратной части и компьютером, а также назначение и интерфейс основных разделов программного обеспечения.
Состав программно-аппаратного комплекса
Для реализации комплекса необходимо наличие двух устройств, связанных между собой беспроводным каналом связи [1]. Первое из устройств - приемник (персональный трекер), он осуществляет функции по определению координат объекта для их последующей передачи по радиоканалу. Поскольку первое устройство должно следить за координатами человека, то самым простым способом реализации данного устройства является браслет со встроенными модулями для приема и обработки сигнала GPS, передатчиком и антенным модулем для беспроводной связи со вторым устройством системы.
Рисунок 1 Персональный трекер
Второе устройство (базовая станция) осуществляет прием координат с персонального трекера и последующую их передачу на внешнее
устройство, например, персональный компьютер для отображения полученных координат на карте местности.
Рисунок 2 Базовая станция
Аппаратная часть комплекса
Аппаратная часть комплекса состоит из базовой станции и навигационного приемника. Станция принимает команды от программного комплекса по UART (конфигурация UART: 115200 бод, 8 бит информации, без бита четности, один стоповый бит). Признак начала команды и ответа - символ доллара '$', окончания команды и ответа - символ конца строки '\г'. Символ '\п' игнорируется. Ответ на выполненную команду - $Ок, на невыполненную -
$ERROR. Данные в команде разделяются запятыми [2].
В программном комплексе формируется список с идентификаторами приёмников, за которыми будет вестись наблюдение, и передается в базовую станцию по интерфейсу UART. Базовая станция на основании этого списка начинает последовательный опрос приёмников, в ответ, получая состояние каждого из них. Список команд базовой станции представлен в Таблице 1.
Таблица 1
Список команд управления базовой станцией
ID Cmd Обозначение Описание
K Kick Проверка соединения.
S,N,K Signal Послать приёмнику N новое состояние К
A,b0,b1,... Areas Информация о зонах
I,N,B Interrogate Состояние опроса
Команды имеют следующее предназначение:
— Kick - проверка соединения программного комплекса оператора с базовой станции. В ответ на запрос базовая станция отвечает сообщением $Ok;
— Signal - команда принудительно меняет состояние приемника;
— Areas - область мониторинга, которая заранее делится на сетку зон. Сетка равномерная периодическая, общее количество зон не более 144. Зона может быть либо запрещенной (1) либо разрешен-
ной (0). Список изначально запрещенных зон выбирается заранее. Информация о зонах передается на станцию в виде 18 байт (всегда, независимо от общего числа зон), битовая маска которых обозначает разрешенные и запрещенные зоны. Нулевой по порядку байт обозначает зоны с 0 по 7, первый - с 8 по 15, и так далее. Младший бит означает младшую зону; например, нулевой байт 0Ь00001101 означает, что запрещены зоны 0, 2, 3; второй байт 0Ь10000100 означает, что запрещены зоны 18 и 23;
— Interrogate - команда состояния опроса, вносит изменение в список опроса базовой станции, задавая режим её работы. Первая часть команды -один-два символа с номером приёмника (0...49). Вторая часть - один символ, код опроса: 0 - не опрашивать, 1 - опрашивать.
В ответ на запрос базовой станции каждый приёмник формирует сообщение следующего вида:
«$C,ro,Pwrro,Batt,State,HHMMSS,Latitude, Longitude,IsFixed,SatCnt,Pretision», где:
— $C - начало ответного сообщения от приёмника;
— ID - идентификатор приёмника
— PwrID - ID мощности. 0 - минимум (0,1Вт), 6 - максимум (1Вт);
— Battery - напряжение батареи в милливольтах, индикация заряда;
— State - 0 - приемник находится в разрешенной зоне, 1 - приёмник находится в запрещенной зоне;
— HHMMSS - время UTC;
— Latitude, Longitude - значение в градусах с долями получается делением этого числа на 10 000 000. Знак определяет север/юг или запад/восток;
— IsFixed - 1 - Fixed, 0 - not fixed - показатель валидности данных, если 0 - данные не достоверны, 1 - данные достоверны;
— SatCnt - чисто спутников, по которым ведется расчет навигационных временных определений (НВО);
— Precision - точность в метрах. Получается делением этого числа на 100.
После получения ответа от приёмника базовая станция должна передать это сообщение на пункт наблюдателя[3]. Электрический принцип работы RS-232 отличается от стандартной 5-вольтовой TTL логики. В этом протоколе логический нуль лежит от +3 до +12 вольт, а единица от -3 до -12, соответственно. Промежуток от -3 до +3 вольт считается зоной неопределенности. Для коммутации интерфейсов UART и RS-232 используется переходник USB-UART на основе преобразователя FT232PL.
Программная часть комплекса
Данные полученные по COM-порту в программном комплексе подвергаются анализу, оценке и дальнейшей обработке. Структурная схема программного комплекса показана на Рисунке 3 .
Перед началом работы пользователь загружает карту местности, на которой будет производиться слежение за объектами. Это может быть изображение в формате JPEG, BMP, PNG, GIF, которое можно привязать к географическим координатам в самом программном комплексе. При операции географической привязки данных, то есть перевода данных из локальной системы координат в географическую или прямоугольную, используются аффинные преобразования или преобразования высших порядков. При наличии доступа в сеть Internet возможно использование карт сервисов «Google Maps» или «Yandex Maps», доступ к которым осуществляется с помощью «Google» и «Yandex API», находящихся в открытом доступе.
После загрузки карты необходимо настроить соединение с базовой станцией, сформировать список активных приёмников и начать их опрос.
Рисунок 3 Структура программного комплекса
26
/ «c®yL®qyiym-j®yrMaL»#iiii),2©2©
В качестве входных данных используется следующие сообщения из ММЕА-протокола[4]:
— GGA - Global Positioning System Fixed Data. Это предложение содержит время отсчета и координаты объекта, которые после прохождения ряда фильтров отображаются в главном окне программы
в виде метки и сохраняются в лог-файл. Интерфейс программы представлен на Рисунке 4.
Рисунок 4 Интерфейс программного обеспечения
Полями данного предложения являются: время навигационных определений;
— широта, N/S;
— долгота, E/W;
— показатель качества обсервации: 0 = нет данных, 1 = обсервация получена, 2 = обсервация в дифференциальном режиме;
число используемых спутников; величина горизонтального геометриче-
ского фактора (ЖОР);
— высота антенны над уровнем моря (геоидом), м;
превышение геоида над эллипсоидом WGS84, м;
— устаревание дифференциальных поправок, то есть время в секундах с момента получения последней дифференциальной поправки, нулевое поле используется в случае выключения дифференциального режима;
— идентификатор дифференциальной станции.
GSV - GNSS Satellites in View. Это предложение содержит информацию о количестве наблюдаемых спутниках, их местоположении и сопровождение. Эти данные поступают в блок анализа и визуализации местоположения навигационного космического аппарата (НКА)[5]. Интерфейс представлен на Рисунке 5. Полями данного предложения являются:
— общее число сообщений;
— номер сообщения
— общее число спутников в зоне радиовидимости;
— номер спутника;
— угол возвышения спутника, градусы 00.90;
— азимут истинный, градусы 000.360;
— отношение сигнал/шум 00.99 дБ, если спутник не сопровождается, не передается.
Satellites Position
Location of Satellites
NMEADATA
Ши||1|Д|| Satellites in View 11
У --V-.' System Sat ID Elevation Azimuth In Use Signal/Noise
\ ЯЫ GPS 25 62 1S6 True 33
У / \1Ù GPS 23 67 2S2 True 36
! ( / \ щ ■ GPS 02 33 061 False
/ / GPS 31 37 283 True 32
31 \ GPS 12 31 142 True 26
+ GPS 05 27 110 False
\ \ 29 Ï GPS GPS 10 04 23 05 052 046 False False
/ ?Б GPS 23 OS 355 True 13
\.\ ■■■ ■■ 25 GPS 21 08 213 False
_—--- GPS 13 03 013 False
Рисунок 5
Панель отображения видимых НКА и НКА, по сигналам которых решается задача нахождения НВО
— GSA - GNSS DOP and Active Satellites. Интерфейс представлен на Рисунке 6. Полями данного предложения являются:
режим управления количеством определя-
емых координат: М - ручное, указан режим, А - автоматическое переключение;
— режим работы: 1 = обсервация невозможна, 2 = определяются две координаты, 3 = определяются три координаты;
— номера спутников используемых для решения навигационной задачи, количество полей равно
количеству каналов приемника, для GPS используются номера 1 - 32, для WAAS 33 - 64, для ГЛОНАСС 65 - 96;
— общий геометрический фактор ухудшения точности (PDOP);
— горизонтальный геометрический фактор ухудшения точности (HDOP);
— вертикальный геометрический фактор ухудшения точности (VDOP).
Рисунок 6 Панель сохранение данных в лог-файл и загрузки данных из лог-файла
В рамках работы над комплексом были разработаны алгоритмы фильтрации телеметрических данных, полученных со спутника, которые были использованы в программной части. Принцип их работы, описан в связной статье [6]. В качестве основных достоинств разработанных методов фильтрации ГЛОНАСС/GPS-телеметрии можно отметить следующее:
1) возможность реализации алгоритма на маломощном и недорогом микроконтроллере;
2) значительное уменьшение потока телеметрии в зависимости от характера движения наблюдаемого объекта;
3) повышение точности вычисления производных параметров (путь, скорость, время движения и
др.)
Заключение
Работа является продолжение ранее проведенных исследований по обработке телеметрических данных полученных со спутника, и представляет собой описание разработанной структуры комплекса, а также принцип работы и обмена данными между элементами аппаратного оборудования. В рамках продолжения работы над комплексом планируется доработка алгоритмов увеличения точности определения потребителем своих координат, а также модернизация аппаратной части, а именно персональных трекеров под более узкие задачи.
Список литературы
[1] Лазарев Ю.Ю. Анализ спутниковых навигационных систем [Статья] // Современные проблемы телекоммуникаций. - Новосибирск : СибГУТИ, 2019 г.. - Т. 1.
[2] НИ АВИА Аппаратура навигационная потребителей глобальных навигационных систем GLONASS, GPS, GALILEO [Электронный ресурс].
- Санкт-Петербург, 2015 г.. - 1.0. - 20 Ноябрь 2019 г.. -
https://www.euromobile.ru/upload/iblock/1e3/1e3e0cf 10a344861e089989915567fb3.pdf.
[3] Перов А.И. Харисов В.Н., ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования [Статья]. - Москва : Радиотехника, 2015 г.. - Т. 1.
[4] ЦНИИ Маш О навигации [Электронный ресурс] // Прикладной потребтиительский центр Глонасс. - 15 Ноябрь 2019 г.. - https://www.glonass-iac.rU/guide/navfaq.php#section2.
[5] Шахтарин Б.И. Сизых В.В., Сидоркина Ю.А, Андрианов И.М., Калашников К.С Синхронизация в радиосвязи и радионавигации [Статья] // Горячая линия-Телеком. - Москва : [б.н.], 2011 г..
[6] С.В. Малыгина Методы предварительной фильтрации потока телеметрической информации [Статья] // Политехнический молодёжный журнал МГТУ им. Н.Э. Баумана. - Москва : [б.н.], 2018 г..
