способ отображения местоположения транспортного средства на электронной карте местности в радиосистемах диспетчерского управления движением наземного транспорта

Формула изобретения

Способ отображения местоположения транспортного средства на электронной карте местности в радиосистемах дистанционного контроля состояния и/или управления движением наземного транспорта, включающий в себя создание цифровой карты обслуживаемой территории в опорной системе координат, определение относительного местоположения множества опорных точек и значений навигационных параметров в этих точках, прием в центре дистанционного контроля и управления текущих значений навигационных параметров транспортного средства, отображение местоположения транспортного средства на электронной карте обслуживаемой территории и периодическое обновление цифровой карты территории, отличающийся тем, что при создании цифровой карты обслуживаемой территории в качестве опорной системы координат используют произвольную плоскую декартову систему дисплейных координат, после этого создают окрашенный направленный транспортный граф транспортной сети обслуживаемой территории в опорных дисплейных координатах, далее на обслуживаемой территории выбирают множество временных опорных точек и с помощью контрольного транспортного средства определяют их относительное местоположение, после чего определяют коэффициенты аффинного преобразования навигационных параметров временных опорных точек в опорные координаты, при этом в центре дистанционного контроля и управления непрерывно определяют значения радионавигационных параметров центра и значения дифференциальных поправок к ним, при приеме в центре дистанционного контроля и управления текущих значений радионавигационных параметров транспортного средства в них вводят значения дифференциальных поправок, а перед отображением местоположения транспортного средства на электронной карте обслуживаемой территории определяют по коэффициентам аффинного преобразования дисплейные координаты транспортного средства на электронной карте местности, уточняют эти координаты с помощью транспортного графа, редуцируя их на ближайшую и соответствующую направлению движения дугу транспортного графа и отображают на экране дисплея уточненное местоположение транспортного средства на электронной карте обслуживаемой местности.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области использования вычислительной техники для оперативного управления передвижением наземного транспорта и/или дистанционного контроля за его состоянием.

В качестве аппаратуры определения местоположения транспортных средств в разные периоды времени использовались системы счисления пути, приемоизмерители импульсно-фазовой радионавигационной системы "Loran-C", глобальных спутниковых радионавигационных систем.

Известны способы, реализованные в различных радиосистемах контроля состояния и управления движением транспортных средств, посредством которых осуществляется отображение местоположения наземных транспортных средств на электронной карте местности, выведенной на экран дисплея, размещенного в центре дистанционного контроля состояния и управления движением транспортного средства [1, 2, 3, 4]. В этих способах, в общем случае, создают цифровую карту обслуживаемой радиосистемой территории, привязанную с высокой точностью к национальной геодезической сети; по данным технических средств, осуществляющих счисление пути или прием сигналов радионавигационной системы, формируют информацию о местоположении транспортного средства и затем передают эту информацию в центр дистанционного контроля и управления системы (ЦДКУ), где эту информацию принимают, по ней определяют значения текущих геодезических координат транспортного средства и по этим значениям отображают местоположение транспортного средства на электронной карте обслуживаемой системой территории, актуализируемой на экране дисплея.

При этом вследствие возможного искажения картографической информации, актуализируемой на экране дисплея с помощью электронной карты, а также из-за регулярных и/или случайных вариаций параметров радионавигационного поля транспортное средство может быть отображено не на изображении транспортной магистрали, на которой оно действительно находится, а в ее окрестностях, что снижает достоверность принимаемой радиооператором информации и затрудняет его работу.

Известен способ точного отображения местоположения транспортного средства на электронной карте [5], выбранный за прототип и заключающийся в том, что

a) - создают цифровую карту улиц или территорий, состоящую из оцифрованных картографических данных, и вводят эти данные в компьютер, снабженный экраном дисплея и расположенный на центральной станции;

b) - определяют действительные координаты множества стационарных опорных точек;

c) - создают таблицу опорных географических координат, основанную на географических координатах стационарных опорных точек и вводят эту таблицу в компьютер, при этом таблица географических координат соответствует цифровой карте улиц и территорий;

d) - создают таблицу данных местоположения стационарных опорных точек, основанную на первой группе сигналов фактических временных задержек, выработанных системой навигационного обеспечения и принятых множеством стационарных опорных точек, при этом первая группа сигналов фактических временных задержек, принятая опорными точками, передается в компьютер центральной станции, который вырабатывает производную сетку координат для каждой опорной точки, основанную на первой группе сигналов временных задержек;

е) - сравнивают действительные географические координаты стационарных опорных точек с производной сеткой координат и определяют первый коэффициент коррекции;

f) - модернизируют таблицу данных местоположения с учетом первого коэффициента коррекции, полученного при вышеуказанном сравнении;

g) - определяют относительное положение множества контролируемых транспортных средств (ТС) в данной географической области путем сравнения производных координат местоположения каждого ТС, полученных в результате приема вторичных сигналов фактических временных задержек на каждом ТС и передачи этих сигналов в компьютер центральной станции, с действительными координатами местоположения каждого ТС и определяют второй коэффициент коррекции на основе разности между фактической и производной сеткой координат;

h) - создают прозрачный картографический слой с использованием второго коэффициента коррекции;

i) - принимают на центральной станции текущую радионавигационную информацию о местоположении, по крайней мере, одного произвольного ТС;

j) - отображают эту информацию на цифровой карте дорог и территорий.

Кроме того, этот способ включает операцию непрерывного и периодического обновления производной сетки координат на основе радионавигационной информации, получаемой на стационарных опорных точках и на контрольных ТС соответственно и создание обновленных картографических прозрачных слоев. В качестве навигационной системы в данном способе используется преимущественно система с наземным базированием "Loran-C".

При использовании способа-прототипа компенсируются следующие факторы, вызывающие погрешности местоопределения транспортного средства:

- картографические искажения отображения цифровой карты транспортной сети на экране дисплея;

- регулярные сезонные и суточные вариации радионавигационного поля, имеющие пространственные масштабы изменений в сотни километров;

- крупномасштабные случайные вариации радионавигационного поля, имеющие радиусы пространственной корреляции 10-20 км;

- локальные искажения радионавигационного поля, имеющие пространственные масштабы в несколько километров.

Способ-прототип реализует известные методы многопунктового дифференциального (в частности, градиентного) режима местоопределения в длинноволновых импульсно-фазовых РНС типа "Loran-C" или сверхдлинноволновых фазовых РНС типа "Omega" [6].

Однако задачу надежного и достоверного (однозначного) отображения местоположения транспортного средства на электронной карте транспортной сети способ-прототип полностью не решает. Как показали экспериментальные исследования, проведенные с использованием российской радионавигационной системы "Чайка" (аналог американской РНС "Loran-C"), после устранения всех указанных выше погрешностей, остаются погрешности местоопределения, вызванные аппаратурными шумами и атмосферными радиопомехами и имеющие радиальное среднеквадратическое значение 10-25 м. Это приведет к тому, что транспортное средство будет отображено на экране дисплея с погрешностью относительно дорожной сети до 18-44 м, что в условиях густонаселенной территории с расстоянием между соседними улицами в 50-100 м увеличивает вероятность недостоверного отображения транспортного средства на дорожной сети и затрудняет работу радиооператора, который не сможет определить, по какой из соседних улиц движется транспортное средство.

Использование спутниковых радионавигационных систем типа ГЛОНАСС и/или GPS в дифференциальном режиме позволяет уменьшить погрешности местоопределения транспортного средства до величин, имеющих радиальное среднеквадратическое значение 5-10 м, однако не позволяет полностью решить задачу достоверного отображения местоположения транспортного средства на дорожной сети по трем причинам:

во-первых, системы ГЛОНАСС и GPS работают в разных пространственных прямоугольных геоцентрических координатах (СГС 85-ГЛОНАСС и WGS 84-GPS), а картографическая информация привязана к разным референц-эллипсоидам: Красовского (территория бывшего СССР), Фишера (территория Северной Америки), Хейфорда (территория Западной Европы). Оперативный пересчет текущей навигационной информации из одних координат в другие обычно дает дополнительные погрешности местоопределения ТС около 10 м;

во-вторых, разработчику радиосистемы дистанционного контроля состояния и управления движением транспортных средств не всегда предоставляется возможность высокоточной геодезической привязки опорных точек на обслуживаемой радиосистемой территории (по причине недоступности высокоточной геодезической информации);

в-третьих, разработчик радиосистемы контроля состояния и управления движением городского наземного транспорта для создания электронно-картографического обеспечения обычно в качестве картографической основы использует крупномасштабную карту-схему транспортной сети данного города, не связанную с какой-либо конкретной геодезической системой координат и картографической проекцией.

Перед заявителем и авторами стояла задача повысить достоверность отображения местоположения ТС на электронной карте транспортной сети, исключив сложную процедуру определения геодезических координат стационарных опорных точек, относительно которых вычисляется местоположение транспортного средства, т. е исключив точную геодезическую привязку стационарных опорных точек, и следовательно, точную привязку создаваемой цифровой карты к Государственной геодезической сети, а также обеспечить однозначное отображение местоположения ТС на изображение на электронной карте транспортной сети той улицы (магистрали) или того перекрестка, на которых в данный момент находится транспортное средство.

Техническим результатом заявляемого способа является повышение достоверности отображения местоположения транспортного средства на экране дисплея, размещенного в диспетчерском центре радиосистемы дистанционного контроля состояния и управления передвижением транспортного средства, при упрощении процедуры координатной привязки навигационной информации от транспортного средства к цифровой карте дорог и территорий.

Для достижения указанного технического результата в способе отображения местоположения транспортного средства на электронной карте местности в радиосистемах контроля состояния и/или диспетчерского управления движением наземного транспорта, включающем в себя создание цифровой карты обслуживаемой территории в опорной системе координат, определение относительного местоположения множества опорных точек и значений навигационных параметров в этих точках, прием в центре дистанционного контроля и управления текущих значений навигационных параметров транспортного средства, отображение местоположения транспортного средства на электронной карте обслуживаемой территории и периодическое обновление цифровой карты территории, при создании цифровой карты обслуживаемой территории в качестве опорной системы координат используют произвольную плоскую декартову систему дисплейных координат, после этого создают окрашенный направленный транспортный граф транспортной сети обслуживаемой территории в опорных дисплейных координатах, а после определения на обслуживаемой территории относительного местоположения множества опорных точек определяют коэффициенты аффинного преобразования навигационных параметров в опорные координаты, при этом в центре дистанционного контроля и управления непрерывно определяют значения радионавигационных параметров центра и значения дифференциальных поправок к ним, при приеме в центре дистанционного контроля и управления текущих значений радионавигационных параметров транспортного средства в них вводят значения дифференциальных поправок, а перед отображением местоположения транспортного средства на электронной карте обслуживаемой территории определяют по коэффициентам аффинного преобразования дисплейные координаты транспортного средства на электронной карте местности и уточняют местоположение транспортного средства на электронной карте с помощью транспортного графа, редуцируя опорные координаты транспортного средства на ближайшую и соответствующую направлению движения дугу транспортного графа.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что за счет использования временных опорных точек и определения их местоположения и местоположения транспортного средства в опорной системе координат, в качестве которой выбирается плоская прямоугольная декартова система координат, а также использования редукции местоположения транспортного средства на транспортный граф обеспечивается в конечном итоге непосредственное преобразование радионавигационных координат транспортного средства в дисплейные координаты, вследствие чего исключаются все погрешности, вызванные как неточностью привязки цифровой карты к геодезической системе координат, так и искажениями, которые вносятся при отображении цифровой карты на экране дисплея. Это позволяет повысить достоверность отображения транспортного средства на электронной карте местности.

Сущность изобретения поясняется примером реализации заявляемого способа системой, представленной на фиг.1 и 2, и иллюстрацией по фиг.3.

Система по фиг. 1 содержит контрольное транспортное средство КТС1 для определения местоположения временных опорных точек, отображаемое транспортное средство ТС2 и центр дистанционного контроля и управления ПДКУ3.

На фиг. 2 представлен состав аппаратуры транспортного средства и аппаратуры центра дистанционного контроля и управления.

На фиг. 3 проиллюстрировано отображение местоположения транспортного средства, находящегося в определенной точке местности, на транспортном графе и экране дисплея в соответствии с заявляемым способом.

Аппаратура транспортного средства как контрольного КТС1, так и отображаемого ТС2, в свою очередь содержит последовательно соединенные первый антенный блок АБ4, приемоизмеритель ПИРНС5, контроллер КН6, радиомодем РМ7, приемопередатчик ПРМПРД8 и второй антенный блок АБ9.

В аппаратуру центра дистанционного контроля и управления ЦДКУ3 входят последовательное соединение антенно-фидерного устройства АФУ10, приемопередатчика ПРМПРД11 и радиомодема РМ12, выход которого подключен к первому входу персонального компьютера ПК13 с монитором M14. Вход АФУ10 является входом сигналов от транспортного средства. На второй вход ПК13 поступает картографическая информация. Вход сигналов радионавигационной системы подключен к третьему входу ПК13 через последовательное соединение приемоизмерителя ПИРНС15 и антенного блока АБ16.

Сигналы радионавигационной системы поступают на входы антенных блоков АБ4 транспортного средства и АБ16 центра дистанционного контроля и управления соответственно. Информационные сигналы от транспортного средства поступают на вход антенно-фидерного устройства АФУ10.

Источники питания, обеспечивающие работу системы, и пульты управления операторов ЦДКУ3 и соответствующего транспортного средства на фиг.1, 2 не показаны, так как не влияют на существо изобретения.

На фиг.3 показан фрагмент исходной карты местности 17 в опорной системе координат, фрагмент транспортного графа 18 и отображение соответствующего этому фрагменту участка карты 19 на экране монитора 14. При этом на фрагменте 17 позицией 20 обозначено местоположение контрольного транспортного средства, позициями 21-25 - местоположения временных опорных точек, позициями 21"-25" - их проекции на фрагмент транспортного графа 18, поз.26 - местоположение транспортного средства относительно транспортного графа до операции редукции, поз. 27 - местоположение транспортного средства на транспортный граф после операции редукции, поз. 28 - отображение истинного местоположения контролируемого транспорного средства на экране дисплея после операции редукции, поз. 20 - отображение истинного местоположения контрольного транспорного средства.

В качестве приемоизмерителей ПИРНС5 и ПИРНС15 могут быть использованы известные навигационные приемники спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС, GPS или интегрированные приемники GPS/ГЛОНАСС [7, 8, 9], а также приемники наземных радионавигационных систем [8].

В качестве приемопередатчиков можно использовать любые промышленно выпускаемые мобильные и стационарные радиостанции, включая сотовые радиотелефоны [10].

Радиомодемы РМ7 и РМ12 представляют собой устройства сопряжения, которые также известны и промышленно освоены (например, УКВ-радиомодемы американских фирм MAXON и "Pacific Crest" или сотовый радиомодем немецкой фирмы FALCOM Wireless Communications Ltd.).

Контроллер КН6 предназначен для преобразования значений радионавигационных или навигационных параметров в сигналы навигационных сообщений и может быть реализован, в частности, на микропроцессорах серий АМД186, АМД188. АБ4, АБ9 и АБ16 и антенно-фидерное устройство АФУ10 выполняются любым известным из инженерной практики образом. Антенные блоки такого типа обычно прилагаются к серийно выпускаемым приемоизмерителям и приемопередатчикам.

Заявляемый способ отображения местоположения транспортного средства заключается в следующем.

Первоначально создают цифровую карту обслуживаемой территории в единой системе плоских декартовых дисплейных координат на основании картографических исходных данных (картографической информации), в качестве которых могут быть использованы географические карты, топографические карты, туристские и административные схемы и т. п. , которые вводятся в персональный компьютер ПК13, установленный в центре дистанционного контроля и управления ЦДКУ3, либо с помощью сканера, либо с помощью любых других преобразований видеоинформации.

Затем с помощью компьютера ПК13 создают направленный окрашенный транспортный граф обслуживаемой территории путем ввода последовательности узлов графа, их оцифровки в декартовой дисплейной системе координат и соединения узлов соответствующими окрашенными дугами.

При создании транспортного графа в качестве узлов принимаются точки, соответствующие границам участков и перекресткам улиц или другим характерным признакам местности (см. фиг. 3), а окраска соединяющих узлы дуг должна учитывать направление движения транспорта от узла к узлу и характеристики участков дорог (ширина проезжей части, количество полос движения, грузоподъемность и т. п.). Методы создания транспортного графа известны, описаны в литературе и не требуют особых пояснений.

Созданный направленный окрашенный транспортный граф также заносят в постоянную память компьютера ПК13 центра ЦДКУ3.

Далее на карте обслуживаемой радиосистемой диспетчеризации территории выбирают множество временных опорных точек (фиг.3, например, поз.21-25), в которых имеются хорошие условия приема радиосигналов выбранной РНС и которые легко и надежно привязываются к местным ориентирам. Как правило, выбирают не менее трех временных опорных точек.

Определяют радионавигационные параметры временных опорных точек с помощью контрольного транспортного средства КТС1 с приемоизмерителем, которое выезжает в выбранные временные опорные точки. При этой процедуре радионавигационные сигналы (например, спутниковой радионавигационной системы), принимаемые антенным блоком АБ4 контрольного транспортного средства КТС1, поступают в приемоизмеритель ПИРНС5, автоматически определяющий радионавигационные параметры каждой временной опорной точки, которые с помощью контроллера КН6 преобразуются в навигационные сообщения и через радиомодем РМ7 и приемопередатчик ПРМПРД8 передаются по радиоканалу в персональный компьютер ПК13 диспетчерского центра ЦДКУ3. Средние значения радионавигационных параметров определяются в той системе координат, в которой работает выбранная навигационная система (спутниковая или наземная). Например, для спутниковой РНС это могут быть пространственные геоцентрические координаты (X_г, Y_г, Z_г) или полные геодезические (B, L, H) координаты в системе WGS-84.

Для каждой тройки соседних опорных точек по их опорным координатам с помощью компьютера ПК13 составляют матрицу коэффициентов аффинного преобразования навигационных параметров, соответствующих используемой радионавигационной системе, в координаты опорной (плоской декартовой дисплейной) системы координат и обратно.

Значения полученных коэффициентов аффинного преобразования запоминаются в постоянной памяти компьютера ПК13.

Приемоизмерителем диспетчерского центра ПИРНС15 через антенный блок АБ16 осуществляется непрерывный прием радиосигналов используемой радионавигационной системы, определение текущих радионавигационных параметров РНС и передача их в компьютер ПК13, где определяются текущие дифференциальные поправки к радионавигационным параметрам РНС как разность между прогнозируемыми и фактически измеренными РНП.

Во время перемещения отображаемого контролируемого транспортного средства ТС2 по обслуживаемой территории аппаратура ТС2 таким же образом, как и на контрольном транспортном средстве КТС1, принимает сигналы РНС, по ним автоматически определяет текущие радионавигационные параметры транспортного средства, которые передаются в диспетчерский центр ЦДКУ3

В ЦДКУ3 в значения радионавигационных параметров контролируемого транспортного средства ТС2 вводят при необходимости текущие дифференциальные поправки, а затем значения радионавигационных параметров с помощью аффинной матрицы преобразуют в текущие координаты ТС2 в прямоугольной декартовой дисплейной системе координат, по значениям которых выбирают на электронной карте соответствующий местоположению ТС2 фрагмент цифровой карты местности (фиг.3, поз.17), на выбранном фрагменте 17 изображено рассчитанное по аффинной матрице местоположение ТС2 (поз.20, фиг.3) и местоположения ближайших к ТС2 временных опорных точек (поз.21-25). После этого по фрагменту 18 транспортного графа, соответствующему данному фрагменту цифровой карты местности, где местоположению временных опорных точек 21-25 соответствуют узлы 21"-25", определяют кратчайшее расстояние R₁ от отметки местоположения транспортного средства 26 до ближайшей дуги (22"-23") транспортного графа 18, абсолютная пространственная ориентация которой наиболее близко совпадает с направлением 29 движения ТС2. Это расстояние сравнивают с допустимым значением R_д, и если R₁R_д, то местоположению транспортного средства приписывают дисплейные координаты найденной выше ближайшей к отметке местоположения ТС2 точки 27 дуги (22"-23") транспортного графа 18. Если R₁R_д, то дисплейные координаты ТС2 остаются без изменения. После определения дисплейных координат транспортного средства на экране дисплея 19 монитора M14 отображается его истинное местоположение 28.

Таким образом, из приведенного описания видно, что предлагаемый способ позволяет отобразить местоположение транспортного средства с высокой достоверностью, при этом нет необходимости пользоваться точными геодезическими привязками, доступность которых может быть ограничена. Способ обладает новизной, может быть реализован в промышленности известными средствами, что позволяет считать его охраноспособным.

Использованная литература

1. Патент США 5.311.173, МПК: G 08 G 1/123, опубл. 10.05.1994.

2. Патент ЕПВ 715291, МПК: G 08 G 1/133, приор. 20.11.95.

3. Патент США 5.636.122, МПК: G 08 G 1/13, опубл. 03.06.97.

4. Патент США 4.590.569. МПК: G 06 F 15/50, опубл. 20.05.86.

5. Патент США 4.791.572, МПК: G 06 F 15/50, G 01 S 3/02, опубл. 13.12.88 - прототип.

6. Котяшкин С.И. и др.// Зарубежная радиоэлектроника, 1977, 11, c.28-81.

7. Сетевые спутниковые радионавигационные системы. /В.С. Шебшаевич и др. ; Под ред. В.С. Шебшаевича.-М.: Радио и связь, 1993.-С.141-161.

8. Богданович С.В. и др.// Радионавигация и время, 1996, 1,2.-с,52-58.

9. Receiver and Antenna Surveys//GPS World, 2000, v.11, 1.-р.34-53.

10. Андрианов В.И., Соколов А.В. Средства мобильной связи. - СПб.: БХВ. Санкт-Петербург, 1999.-С. 161-182.