способ оперативного сопровождения и управления подвижными объектами

Формула изобретения

1. Способ оперативного сопровождения и управления подвижными объектами, заключающийся в том, что на подвижном объекте принимают навигационные сигналы от спутников глобальной системы радионавигации, например от системы GPS, по их данным определяют координаты нахождения, формируют пакет информации с включением в него дополнительно состояния отдельных подсистем подвижного объекта, преобразуют указанный пакет информации в электрический сигнал, передают этот сигнал через систему связи на диспетчерский пункт, где информацию периодически принимают от данного и других объектов, производят ее обработку, хранение и отображение на электронной карте местности и формируют пакет информации для передачи на объект, отличающийся тем, что координаты объекта дополнительно определяют методом сопоставления картины наблюдаемого поля базовых станций операторов сотовой связи, содержащей номера по меньшей мере одного оператора сотовой связи текущей сети, района и базовой станции, а также до семи номеров каналов базовых станций, принимаемых в данном месте, с эталонными точками, характеризующими картину полей базовых станций операторов сотовой связи и содержащими аналогичный набор номеров, информацию передают по заданной программе цифровым или аналоговым методами с использованием соответствующей системы связи, а электронную карту местности формируют в виде картографической базы данных путем отображения координатной информации на фоне произвольного картографического материала.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на основе массива эталонных точек в контроллере объекта или компьютере диспетчерского пункта формируют базу данных.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что при передаче информации цифровым методом информацию представляют в виде набора двоичных сигналов, содержащего данные о маршрутных точках с их координатами и состояниями подсистем объекта.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что при передаче информации аналоговым методом информацию представляют в виде частотно-модулированной посылки.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что пакет информации дополнительно передают на мобильный пункт, в частности сотовый телефон пользователя.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что пакет информации дополнительно передают на мобильный пункт, в частности сотовый телефон пользователя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области мониторинга подвижных объектов и может быть использовано в системах защиты и поиска автомашин, в корпоративных системах управления, информатизации и охраны крупных фирм, контроля за местонахождением и перемещением персонала, детей, престарелых людей как на ограниченной территории (в рамках одного города), так и на территории отдельного континента.

Известно множество различных способов и систем диспетчеризации и мониторинга подвижных объектов с синхронной передачей информации, реализованные на базе современных средств спутниковой радионавигации, средств подвижной (преимущественно сотовой) радиосвязи общего пользования и средств электронной картографии.

Известные устройства для поиска угнанных автомобилей, как правило, содержат скрытно установленные внутри каждого из охраняемых автомобилей приемопередатчик сотового телефона, микроконтроллер и специализированный приемник сигналов спутниковой радионавигационной системы и установленные, например, в диспетчерском пункте блок управления и индикации, представляющий собой персональную ЭВМ с программно реализованным модулем электронной картографии, устройство сопряжения и сотовый, спутниковый или радиотелефон (см. Андрианов В.И., Соколов А.В. Автомобильные охранные системы. Справочное пособие. - СПб.: БХВ - Санкт-Петербург - Арлит, 2000, с.174, 178-181, 209-233, 236-246, 254-263).

Недостатком таких устройств являются:

Жесткая привязка к определенному типу средств связи: сотовый телефон либо радиостанция. У каждого из этих вариантов есть свои преимущества и недостатки:

Радиосвязь обеспечивает наиболее быстрый обмен данными с центром управления, позволяет в течение нескольких секунд опросить десятки объектов; абонентская плата отсутствует. Однако сама радиостанция достаточно дорого стоит, обладает большими габаритами, потребляемой мощностью, требует установки внешней антенны. К тому же создать хорошее поле радиопокрытия в крупном городе очень сложно и дорого. Такой способ связи лучше подходит для небольших (несколько километров) участков не сильно пересеченной местности, не закрытых сотовой связью.

Сотовый телефон имеет значительно меньшую стоимость, размеры и энергопотребление. Внешней антенны он обычно не требует, поле сотовой связи охватывает обжитые районы почти всего мира. Однако стоимость услуг сотовых операторов достаточно высока, особенно при нахождении объекта в другом городе (государстве). Вторым и более значительным недостатком является невысокая скорость обмена по сотовому телефону. За минуту удается опросить не более 5-6 объектов, причем каждый сеанс связи длится не менее 2-3 секунд. Если же обмен производится с помощью коротких сообщений (SMS), то задержка их передачи может составлять несколько секунд или даже минут, в зависимости от загрузки сети.

Спутниковый телефон обеспечивает передачу данных из любой точки мира, однако, обладает всеми недостатками сотовой связи (медленный, требует еще более высокой абонентской платы), сам гораздо более крупный и энергопотребляющий.

Часто бывает невозможно определение местонахождения объектов на территории крупных городов, на долю которых приходится наибольшее количество угонов и краж автомобилей, совершаемых в целях продажи, сбыта агрегатов и деталей, личного пользования, осуществления преступных действий и т.п. (см. Андрианов В.И., Соколов А.В. Автомобильные охранные системы. Справочное пособие. - СПб.: БХВ - Санкт-Петербург, Арлит, 2000, с.7). Это обусловлено тем, что на территории крупных городов, отличающихся плотной застройкой высокими зданиями, преобладают участки "радиотени", где уровень спутниковых радионавигационных сигналов ниже порогового уровня чувствительности портативных навигационных приемников, устанавливаемых обычно в охраняемых автомобилях (см. Андрианов В.И., Соколов А.В. Автомобильные охранные системы. Справочное пособие. - СПб.: БХВ Санкт-Петербург, Арлит, 2000, с.182, 237).

Известен способ контроля движения транспортных средств, реализованный в патенте РФ 2158963, G 08 G 5/06, опубл. 2000.11.10, заключающийся в том, что на соответствующем транспортном средстве принимают радиосигналы от спутников глобальной системы, например от системы GPS, определяют координаты нахождения транспортного средства (ТС) в реальном масштабе времени, формируют пакет информации с дополнительным включением в него кода номера и состояния отдельных подсистем ТС, передают данный пакет на диспетчерский пункт через выделенный цифровой канал, где этот пакет обрабатывают и осуществляют управление подсистемами ТС через упомянутый выделенный цифровой канал.

Известен также способ контроля за транспортировкой грузов, описанный в патенте РФ 2157565, МПК G 08 G 1/123, опубл. 2000.10.10, заключающийся в том, что на подвижном ТС принимают навигационные сигналы от спутников глобальной системы радионавигации, например от системы GPS, определяют координаты нахождения, время и скорость движения ТС, формируют пакет информации с включением его кода номера и состояния подсистем ТС, преобразуют указанный пакет информации в электрический сигнал для передачи по каналу сотовой системы связи, передают этот сигнал в реальном масштабе времени через систему сотовой связи (GSM) на диспетчерский пункт, где информацию принимают периодически от данного и других ТС, производят ее обработку, хранение и отображение на электронной карте местности, а при возникновении нештатной ситуации формируют и передают соответствующее сообщение в виде пакета информации на соответствующее ТС через GSM, при приеме которой на ТС включают/отключают отдельные подсистемы контроля и управления ТС или устанавливают двухстороннюю речевую связь через GSM.

К недостаткам данных способов можно отнести следующее:

1) при выходе ТС из системы GSM на диспетчерском пункте происходит потеря информации о месте его нахождения, что приводит к искажению данных и искаженному управлению соответствующим ТС при его вхождении вновь в зону радиовидимости, то есть снижается оперативность управления ТС с диспетчерского пункта;

2) на ТС при приеме информации с диспетчерского пункта отсутствует защита от несанкционированного доступа, например, третьими лицами, что может привести к неправильным действиям отдельных подсистем ТС.

К недостаткам реализации программного обеспечения центров управления и контроля можно отнести их жесткую привязку к одному стандарту (производителю) электронных карт местности. Это приводит к тому, что для развертывания системы в новом районе (городе) изготовление карт для него производителем-монополистом может стоить несколько тысяч долларов и занимать продолжительное время.

По технической сущности наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ оперативного сопровождения и управления наземными транспортными средствами, описанный в патенте РФ 2217797, G 08 G 1/123, опубл. 2003.11.27, заключающийся в том, что на подвижном транспортном средстве принимают навигационные сигналы от спутников глобальной системы радионавигации, например от системы GPS, по их данным определяют координаты нахождения, время и скорость транспортного средства, формируют пакет информации с включением в него дополнительно состояния отдельных подсистем транспортного средства, преобразуют указанный пакет информации в электрический сигнал, передают этот сигнал дискретно, в реальном масштабе времени через систему сотовой связи на центральный диспетчерский пункт, где информацию периодически принимают от данного и других транспортных средств, производят ее обработку, хранение и отображение на электронной карте местности, а при возникновении нештатной ситуации формируют и передают соответствующее сообщение в виде пакета информации на соответствующее транспортное средство через сотовую систему связи, при приеме которого на транспортном средстве включают/отключают отдельные подсистемы, фиксируют моменты выхода и моменты входа транспортного средства из зоны видимости сотовой системы связи и в период между указанными моментами на транспортном средстве запоминают и накапливают пакеты информации, а при входе в зону видимости накопленные пакеты информации передают описанным образом на центральный диспетчерский пункт, где их обрабатывают соответствующим образом и принимают решения. Этот способ принят за прототип.

Недостатком способа-прототипа является жесткая привязка к сотовой связи, которая покрывает только густонаселенные районы, и к системе определения координат по данным GPS, которая плохо работает в узких городских улицах и совсем не работает в помещениях, а тем более в метро.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении оперативности, точности и достоверности определения местоположения автомобилей, людей и других подвижных объектов, в том числе в помещениях и на станциях метрополитена.

Технический результат достигается тем, что в известном способе, включающем прием на подвижном объекте навигационных сигналов от спутников глобальной системы радионавигации, например от системы GPS, определение по их данным координат нахождения объекта, формирование пакета информации с включением в него дополнительно состояния отдельных подсистем объекта, преобразование указанного пакета информации в электрический сигнал, передачу этого сигнала через систему связи на диспетчерский пункт, периодический прием информации от данного и других объектов на диспетчерском пункте, ее обработку, хранение и отображение на электронной карте местности, формирование и передачу соответствующего сообщения через систему связи в виде пакета информации на соответствующий объект для его управления, координаты нахождения объекта дополнительно определяют по картине поля сотовой связи путем сопоставления картины наблюдаемого поля базовых станций операторов сотовой связи, содержащей номера, по меньшей мере, одного оператора сотовой связи текущей сети, района и базовой станции, а также до семи номеров каналов базовых станций, принимаемых в данном месте, с эталонными точками, характеризующими картину полей базовых станций операторов сотовой связи, содержащими аналогичный набор номеров и хранящимися в базе данных диспетчерского пункта и/или контроллера объекта. Информацию передают по заданной программе, используя цифровой метод, пакет передаваемой информации, в котором представлен в виде набора двоичных сигналов, содержащего данные о маршрутных точках с их координатами и состояниями подсистем объекта, или аналоговый метод, пакет информации, в котором представлен в виде частотно-модулированной посылки, а электронную карту местности формируют в виде картографической базы данных путем отображения координатной информации на фоне произвольного картографического материала. Кроме того, пакет информации может быть дополнительно передан на мобильный пункт, в частности сотовый телефон пользователя.

Определение координат нахождения объекта по наблюдаемой картине поля сотовой связи, содержащей текущие номера оператора сотовой связи, района и базовой станции, а также до семи номеров каналов базовых станций, принимаемых в данном месте, обеспечивает формирование такого набора чисел, который является уникальной характеристикой места приема, что-то вроде "отпечатка пальцев". При этом создают базу данных эталонных точек, содержащих аналогичные данные, а затем сравнивают с ними картину поля, наблюдаемую в месте нахождения подвижного объекта, и методом корреляции находят ближайшую точку. Как показали эксперименты, точность такого метода колеблется от 100 до 500 метров в городских условиях, но резко падает за городом, на открытой местности, достигая 2-3 километров. Если использовать картины поля от нескольких операторов сотовой связи, то суммарная картина становится гораздо более "пестрой" из-за различного расположения базовых станций в разных сетях, и точность определения координат может быть повышена в 2-3 раза. Этот метод значительно проигрывает по точности спутниковому, однако, совершенно незаменим, когда искомый подвижный объект находится в закрытых помещениях или в метро, т.е. предотвращаются потери информации о месте нахождения объекта в моменты временного отключения навигационного приемника или невозможности его работы, связанные например, с закрытием значительной части небесной сферы материалами, непрозрачными для радиоволн (металл, бетон). Кроме того, отпадает необходимость в достаточно дорогостоящем спутниковом приемнике, и значительно снижаются размеры и энергопотребление устройства. В минимальном варианте требуется только одна миниатюрная микросхема, подключенная к разъему сотового телефона. Храниться база данных контрольных точек может в контроллере объекта и содержать несколько сотен ориентиров, что достаточно для передачи информации на мобильный пункт, в частности сотовый телефон пользователя, или в компьютере центрального диспетчерского пункта и содержать миллионы точек, что обеспечивает более точное определения местоположения объекта.

В соответствии с заданной программой в зависимости от местонахождения объекта используют цифровой или аналоговый методы передачи информации.

Передача пакета информации в виде набора двоичных сигналов пригодна для средств связи, по своей природе являющихся цифровыми: сотовые и спутниковые телефоны, транковые радиостанции. При этом пакет информации содержит данные о маршрутных точках с их координатами и состояниями подсистем объекта, например автомобиля (времена прибытия, скорости и курсы объекта, текущий пробег автомобиля и счетчики часов движения и простоя). Такой подход снижает расходы на оплату сотовой связи, что особенно важно при нахождении объекта в другом городе, государстве.

Аналоговый метод передачи в виде частотно-модулированных посылок приспособлен для средств связи, которые предназначены в основном для передачи речевых сообщений, таких как обычные радиостанции. Работа частотно-модулированными посылками, во-первых, обеспечивает связь по радиостанции (в тех условиях, когда сотовая связь недоступна или требуется быстрый опрос большого числа объектов на ограниченной территории), а во-вторых позволяет центру управления связываться с сотовым телефоном устройства на объекте через модем стационарной телефонной сети. Данный метод может быть использован также и с сотовыми (спутниковыми) телефонами тогда, когда это оправданно экономически (короткий звуковой пакет стоит дешевле передачи сообщения) или когда такой пакет будет доставлен быстрее.

Использование картографической базы данных центрального диспетчерского пункта, сформированной путем отображения координатной информации на фоне произвольного картографического материала, обеспечивает независимость от конкретного производителя электронных карт и возможность быстрого создания картографической базы нового района.

На фиг.1 представлена структурная схема оперативного сопровождения и управления подвижными объектами, состоящая из скрытно установленных на подвижных объектах контроллеров объекта, связанных по каналам сотовой и/или спутниковой и/или радиосвязи с центральным диспетчерским пунктом, связанным по сети Интернет и/или телефонным линиям с серверами распределения и передачи информации, связанных по сети Интернет и/или телефонным линиям с компьютерами-клиентами конечных пользователей, сотовых телефонов конечных пользователей.

На фиг.2 представлена функциональная блок-схема контроллера объекта и центрального диспетчерского пункта.

Контроллер объекта содержит скрытно установленные внутри каждого из объектов (например, автомобилей) спутниковый навигационный приемник 1, средство связи 2 (сотовый и/или спутниковый телефон и/или радиостанцию), микроконтроллер 3, преобразователь бортового питания 4, источник резервного питания 5, а на диспетчерском пункте установлены средства связи 6 (сотовый и/или спутниковый, и/или стационарный телефон и/или радиостанция), устройство сопряжения 7 и блок индикации 8 (компьютер, обладающий картографической базой заданного района 9).

Микроконтроллер выполнен с возможностью корреляции картины наблюдаемого поля сотовой связи с картиной поля в контрольных точках (например, остановках общественного транспорта), информация о которых хранится в памяти микроконтроллера и/или диспетчерского пульта. Микроконтроллер может быть выполнен, например, на базе 8-разрядного микропроцессора Microchip Pic16F88.

Сотовый телефон может быть использован, например Siemens C35 или сотовый модем Siemens Module M20.

Навигационный приемник может быть выполнен, например, в виде приемника навигационной спутниковой системы GPS NAVSTAR модели Evermore Tistar 25.

В качестве диспетчерского пункта, серверов распределения информации и компьютеров клиентов могут быть использованы ПЭВМ типа IBM PC, укомплектованные периферийным оборудованием и, при необходимости, средствами сбора и передачи информации. Программной базой указанных вычислительных средств являются известные программные средства для функционирования в среде Windows-98/NT/XP, созданные на базе языка Borland Builder 6.

Использование радиостанций или спутниковых телефонов оправдано, если предполагается поиск объектов на территориях, не имеющих покрытия сотовой связью (отдаленные и труднодоступные районы). В некоторых случаях для обеспечения особо малых размеров и энергопотребления устройства из его состава могут исключаться спутниковый навигационный приемник, преобразователь и источник резервного питания. Такой вариант устройства может быть пригоден для контроля положения людей даже в помещениях и тоннелях метро.

Способ реализуется следующим образом.

Контроллер подвижного объекта, постоянно, 1 раз в секунду, определяет свои координаты, используя спутниковый навигационный приемник известным методом и/или сотовый телефон средства связи в соответствии с заявленным способом. Работа микроконтроллера 3 происходит в соответствии с записанной в его памяти программой.

Периодически (1 в секунду) спутниковый навигационный приемник 1 принимает сигналы глобальной спутниковой системы навигации. Для определения географических координат (Fi, La) необходимо, чтобы одновременно принимались сигналы не менее чем от четырех спутников. GPS - спутники передают два вида данных - альманах и эфимерис. Альманах содержит параметры орбит всех спутников. Каждый спутник передает альманах для всех спутников. Данные альманаха не отличаются большой точностью и действительны в течение нескольких месяцев. Данные эфимериса содержат корректировки параметров орбит и отсчета времени для каждого спутника, что необходимо для высокоточного определения координат. Географические координаты подвижного объекта определяются в GPS-приемнике 4 путем цифровой обработки принятых сигналов в соответствии со стандартным алгоритмом решения навигационных уравнений (трилатерации, то есть вычисления местоположения объекта по результатам измерений его дальностей до точек с заданными координатами) и принятым со спутников альманахом.

При невозможности измерения координат объекта по данным GPS их определяют по картине поля сотовой связи согласно заявленному способу.

Данные о координатах и/или картине сотового поля либо накапливаются в памяти микроконтроллера 3, либо с заданной по программе периодичностью передаются в диспетчерский пункт через сотовый и/или спутниковый телефон и/или радиостанцию. Принятая информация сохраняется в локальной базе данных, отображается на фоне картографической базы данных 7 диспетчерского центра, передается компьютерам-клиентам непосредственно, через локальную сеть и/или телефонный канал, и/или Интернет.

Выбор метода и канала связи производится либо автоматически по записанной программе, либо по команде центрального диспетчерского пункта.

При цифровом методе передачи информации микроконтроллер 3 или компьютер диспетчерского пункта 8 по одной или нескольким цифровым линиям передает набор двоичных сигналов, адаптированных к используемому средству связи 2(6), которые приводят к тому, что средство связи отправляет или получает по радиоканалу двоичное сообщение, содержащее необходимую информацию. На противоположном конце канала связи аналогичное цифровое средство связи 6(2) принимает это сообщение и выдает его в виде набора двоичных сигналов микроконтроллеру 3 или компьютеру диспетчерского центра 8.

При аналоговом методе передачи передачи информации микроконтроллер 3 или компьютер диспетчерского пункта 8 формирует короткую частотно-модулированную посылку, содержащую необходимую информацию, и направляют ее на микрофонный вход средства связи 2(6), которое отправляет указанную посылку в радиоканал. На противоположном конце канала связи приемник средства связи 6(2) воспринимает эту посылку, преобразует ее в аналоговый сигнал на выходе громкоговорителя, который подключен к соответствующему входу микроконтроллера 3 или компьютера диспетчерского пункта 8. Производится частотная фильтрация, удаление шумов, демодуляция сообщения и проверка достоверности. При успешном результате проверок сообщение принимается.

Таким образом, при полном оснащении контроллера необходимыми средствами связи связь его с диспетчерским пунктом не нарушается (обеспечивается) в любой точке земного шара.

Вместе с координатной информацией передаются данные о состоянии всего объектового блока и датчиков (аналоговых и цифровых), подключенных к нему. При изменении значения на контролируемых датчиках, либо выходе значений аналоговых датчиков за установленные значения, на диспетчерский пункт и/или сотовый телефон пользователя передаются определенные сообщения аналогично тому, как это делается при срабатывании охранной сигнализации.

При формировании картографической базы данных вначале бумажная карта сканируется, а электронная преобразуется в стандартные графические файлы типа JPEG. Затем разрозненные куски изображения соединяются в одну большую электронную карту. После этого на карте указывается шесть и более контрольных точек, координаты которых известны достаточно точно. Это могут быть линии пересечения меридианов и параллелей, если они указаны на карте, населенные пункты, координаты которых можно взять из справочника, либо какие-то точки, которые легко найти на карте (например, перекрестки улиц), координаты которых измеряется любым спутниковым приемником GPS. Увеличение числа контрольных точек приводит к повышению точности отображения. После всего этого предполагаем, что формула проекции, то есть зависимость координат на нашей карте от географических координат, является полиномиальной, и вычисляем коэффициенты полинома, обеспечивающие максимальное соответствие расчетных координат контрольных точек с заданными. Затем вычисляются обратные полиномы, преобразующие координаты карты в географические.

Дополнительная возможность передачи информации на мобильный сотовый телефон пользователя обеспечивает возможность оперативной связи с подвижным объектом. Достаточно послать на сотовый телефон, установленный в контроллере объекта, сообщение с определенным запросом, и контроллер по заданной программе ответит сообщением с указанием ближайшего ориентира (например, остановки общественного транспорта), расстоянием до него, пройденным путем, временем простоя и движения и т.д. Кроме того, по приему определенных сообщений на объекте могут быть выполнены необходимые действия (например, блокировка двигателя). При этом диспетчерский пункт постоянно отслеживает координаты автомобиля, а его владелец с помощью своего сотового телефона время от времени узнает текущее положение своей машины и пройденный километраж.

Блоки питания 4, 5 обеспечивают непрерывную работу устройства. При нарушении работы основного блока, например при нарушении сети питания объекта, питание устройства переключается на резервный источник питания 5. При этом микроконтроллер 3 управляет зарядом и разрядом батареи, и в зависимости от остаточной емкости может изменять периодичность подачи тревожных сообщений по запрограммированному алгоритму, продлевая длительность автономной работы блока питания и всего устройства в целом.

Если время стоянки автомобиля (когда его скорость нулевая) превысило заданное, спутниковый приемник 1 отключается на некоторое время, сокращая энергопотребление, затем снова включается, определяет текущую скорость, и если она опять равна нулю, указанный цикл повторяется, что обеспечивает экономию энергии аккумулятора автомобиля.

С помощью устройства сопряжения с исполнительными устройствами микроконтроллер 3 может управлять исполнительными устройствами объекта, в том числе устройствами его охраны, по командам, полученным по соответствующим каналам связи от диспетчерского пункта и/или пользователя.

Возможен чисто автономный режим работы устройства, например при сопровождении контейнера с грузом, в условиях полного отсутствия внешнего питания. Тогда микроконтроллер программируется на работу в "спящем" режиме, когда на определенное время все периферийные устройства (навигационный приемник, средства связи и т.д.) полностью или частично отключаются для экономии энергии. И лишь в заданное время производится полное включение, определяются координаты, происходит выдача сообщения, и снова устанавливается спящий режим.

При наличии нескольких диспетчерских пунктов, большого количества пользователей, необходимости более высокого уровня секретности информации и в других случаях в систему могут добавляться серверы распределения информации.

Таким образом, построение системы оперативного сопровождения и управления подвижными объектами вышеописанным образом позволяет повысить оперативность, точность и достоверность определения местоположения автомобилей, людей и других подвижных объектов, в том числе в помещениях и на станциях метрополитена. Предварительные испытания позволяют утверждать о возможности промышленного использования предложенного способа.