1. Wprowadzenie

Stan nowoczesnych rozwiązań telekomunikacyjnych, informatycznych i nawigacji satelitarnej na chwilę obecną umożliwia wykorzystywanie zintegrowanych usług polegających m.in. na określaniu w sposób ciągły położenia pojazdów, kontrolowaniu stanu ładunków oraz automatycznym ich nadzorowaniu. Firmy ubezpieczeniowe wręcz żądają od przewoźników dostosowania środków transportowych, tak aby przewożone wartościowe ładunki oraz kierowcy byli bezpieczni. Telekomunikacja ruchoma (radiokomunikacja) dotycząca monitorowania jest istotnym czynnikiem skutecznych systemów zarządzania pojazdami. System określania pozycji (nawigacja) pozwala na obserwowanie w czasie rzeczywistym tras pojazdów, ich odszukiwanie, a gdy to konieczne zmianę strategii czy drogi pojazdów. Ciągłe monitorowanie daje cenne informacje w przypadku napadów rabunkowych, kradzieży, zmiany decyzji logistycznych czy też w razie wystąpienia nieprzewidzianych utrudnień w ruchu. Głównym odbiorcą usług pozycjonowania jest przemysł transportowy, któremu takie informacje dają wymierne korzyści w postaci dochodów firmy.

Systemy monitorowania, a więc i lokalizacji, są pomocne w zarządzaniu zarówno przewozami ładunków niebezpiecznych, jak również ładunków wartościowych. Znacznie ograniczają możliwość katastrof, pomagają zapobiegać ich skutkom oraz zmniejszają ryzyko kradzieży, a w razie jej wystąpienia ułatwiają odnalezienie pojazdu. Sprawna organizacja transportu, elastyczne reagowanie na zakłócenia w planowanych przebiegach tras mają znaczenie nie tylko z uwagi na optymalne wykorzystanie taboru, ale także przede wszystkim ze względu na bezpieczeństwo transportów.

Możliwość satelitarnego i naziemnego radiokomunikacyjnego monitorowania położenia pojazdów w dowolnym miejscu i czasie ma szczególne znaczenie wszędzie tam, gdzie jest uboga i zawodna infrastruktura telekomunikacyjna, np. w niektórych rejonach Europy Środkowej i Wschodniej. Ważne jest, aby tworzone systemy monitorowania zaspokajały potrzeby lokalizowania pojazdów i transmisji danych, wykorzystując globalną obsługę telekomunikacyjną, a jednocześnie były wiarygodnym źródłem informacji o położeniu obiektów będących własnością zainteresowanych firm i instytucji przewozowych. Monitorowanie ruchomych obiektów transportowych jest niełatwym zadaniem choćby ze względu na różne warunki propagacyjne w mieście (terenie mocno zurbanizowanym) i w terenie otwartym. Utrudniają je też warunki pogodowe.

Celem artykułu jest przedstawienie propozycji i dobór elektronicznej metody monitorowania pojazdów samochodowych przewożących ładunki specjalne. W artykule zostaną przeanalizowane istniejące metody monitorowania obiektów transportowych z wykorzystaniem nawigacji i radiopowiadamiania, a także rozwiązania przy tym stosowane.

W tej części artykułu zostaną poruszone problemy dotyczące satelitarnych systemów nawigacji oraz stosowanych metod łączności i transmisji danych naziemnymi drogami radiokomunikacyjnymi.

W części drugiej zostanie przedstawiony specjalistyczny system radiokomunikacji kolejowej, a w części trzeciej – nowoczesny system monitorowania elektronicznego przeznaczonego dla obiektów transportowych przewożących duże wartości pieniężne.

2. Przegląd spotykanych rozwiązań elektronicznej ochrony i monitorowania pojazdów samochodowych

Rys. 1. Metody lokalizacji terminala abonenckiego w systemie GSM

2.1. Metody radionamierzania w systemie GSM

Ta część artykułu poświęcona będzie problemom lokalizowania abonenta (kierowcy, maszynisty pociągu) oraz łączności w systemie GSM.

2.1.1. Metody określania położenia terminali (np. kierowców) w systemie GSM

Cenną informacją w systemach radiokomunikacji ruchomej jest informacja o lokalizacji użytkownika. Już sama zasada działania sieci GSM skutkuje posiadaniem takiej wiedzy. Rejestracja w zasięgu najbliższej, osiągalnej stacji bazowej czy taryfikacja związana z przekroczeniem granic państwowych i przejęciem terminala przez innego operatora wynikają z zasady utrzymania ciągłego zasięgu (to warunek). Zgodnie z zasadami działania infrastruktury sieciowej w GSM użytkownik terminala, tak jak i operator sieci, uzyskują tym samym dostęp do położenia geograficznego terminala.

Najczęściej wykorzystywane metody lokalizacji terminala GSM przedstawia rysunek 1.

Metoda COO (Cell Of Origin) – identyfikacja stacji bazowej – nie wymaga  modyfikacji sieci ani terminala abonenckiego. Dokładność  tej metody zależy od promienia komórki. W pikokomórkach wyniesie ona około 150 m, ale niestety aż do 40 km w makrokomórkach.

Metoda EOTD (Enhanced Observed Time Difference) – wykorzystuje różnice w czasie propagacji sygnału od terminala do kilku stacji bazowych. Proponowana metoda wymaga modyfikacji terminali i infrastruktury sieci. Polega na analizie danych odnośnie do czasu propagacji pomiędzy trzema stacjami bazowymi a terminalem. Dokładność metody waha się od 50 do 125 m.

Rys. 2. Metody lokalizacji abonenta za pomocą stacji bazowych

Metoda AOA (Angle Of Arrival), analiza kąta propagacji sygnału, pierwotnie wykorzystywana była w wojskowych systemach namierzania. Wykorzystywane są systemy wieloantenowe (cztery do 12 anten). Stacje bazowe określają kąt propagacji. Im więcej stacji bierze udział w pomiarze – rys. 2. – tym większa dokładność lokalizacji abonenta, co za tym idzie, mniejszy obszar, na którym potencjalnie przebywa abonent.

Metoda A-GPS (Assisted GPS) wymaga doposażenia lub modyfikacji terminala abonenckiego. Polega na raportowaniu przez terminal swojego położenia dzięki danym pobieranym z odbiornika GPS. Dokładność metody jest zależna od widoczności satelitów i wskazań odbiornika GPS.

Biorąc pod uwagę infrastrukturę sieci GSM, można stwierdzić, że wszystkie opisane metody mogą być realizowane przez tę sieć. Niestety, aby uzyskać wymienione dokładności pomiarów, niezbędna byłaby rozbudowa sieci.

Oprócz metody pomiaru kąta propagacji sygnału, niewymagającej ingerencji w terminal, pozostałe są możliwe do zaimplementowania w terminalach abonenckich. Byłyby jeszcze potrzebne dodatkowo baza danych z geograficznym położeniem stacji i możliwość pobrania danych o kodach stacji bazowych, z którymi w danej chwili ma kontakt terminal.

Z uwagi na opisane niedogodności i niewielką dokładność wykorzystanie metod terminalowo-sieciowych na potrzeby monitorowania pojazdów jest znikome. Jedynie rozwiązanie wykorzystujące połączenie terminala z odbiornikiem GPS może być godne uwagi w zastosowaniach transportowych. Na rynku dostępne są terminale posiadające wbudowane odbiorniki GPS. Niektóre z terminali wyróżniają się dużymi, kolorowymi wyświetlaczami graficznymi o dużej rozdzielczości.

2.1.2. Metoda lokalizacji terminala GSM (np. kierowcy) na potrzeby alarmowe

Metoda zapewniająca określenie położenia abonenta z dużą dokładnością nosi nazwę TDoA (Time Difference of Arrival). Znana z techniki wojskowej, polega na lokalizacji terminala, traktowanego jako źródło emisji fal elektromagnetycznych, poprzez pomiar różnic czasów odbieranego sygnału w kilku stacjach bazowych. Wymaga ona, aby terminal abonencki znajdował się w zasięgu łączności, przynajmniej trzech stacji bazowych, wyposażonych, podobnie jak w metodzie TOA, w przystawki do określania czasu odbioru sygnału. Metoda TDoA, zwana również odwróconym systemem hiperbolicznym, cechuje się dużą dokładnością pomiaru, pomimo zastosowania anten o niekierunkowych charakterystykach. Model teoretyczny zakłada, że sygnały nadawane przez źródło docierają do tego odbiornika po czasie ti. Zmierzony czas ti nie jest użyteczny. Dopiero różnice czasów pomiędzy parami stacji dają wstępną informację do dalszej obróbki.

Rys. 3. Wyznaczanie miejsca położenia źródła emisji metodą TDoA

 

Różnice odległości można zapisać jako (2)

W układzie współrzędnych prostokątnych XY odległości źródła emisji od punktów odbioru (np. aktualne położenie kierowcy) przedstawia zależność (3):

gdzie:
i = A, B, C;
xi, yi – współrzędne punktów odbioru A, B, C;
x, y – współrzędne źródła emisji.