Транспортные информационно-управляющие радиоэлектронные системы: Учебное пособие

Г. И. ХУДЯКОВ

ТРАНСПОРТНЫЕ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ

Учебное пособие

Санкт-Петербург 2003

Министерство образования Российской Федерации СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Г.И.Худяков

ТРАНСПОРТНЫЕ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ

Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

Санкт-Петербург 2003

1

УДК 621.396.93: 65.011.56 Худяков Г. И. Транспортные информационно-управляющие радиоэлектронные системы: Учеб. пособие – СПб: СЗТУ, 2003. – 184с. Учебное пособие предназначено для обучения студентов VI курса СЗТУ по специальности 200700 “Радиотехника” направления 654200 “Радиотехника” по дисциплине специализации «Транспортные информационно-управляющие радиоэлектронные системы». Рассматриваются исторические и технические предпосылки возникновения современных полностью автоматизированных транспортных информационно-управляющих эрготехнических систем (ТИУС). Представлены основные функциональные возможности, общая структура и характеристики технических средств ТИУС: радионавигационные системы, системы аналоговой и цифровой проводной и радиосвязи, системы счисления пути. Описываются системы электронно-картографического и программноматематического обеспечения ТИУС, которые в совокупности с техническими средствами ТИУС образуют транспортные информационно-управляющие радиоэлектронные системы (ТИУРЭС) различного назначения. Приведены методы системотехнического проектирования ТИУРЭС наземных транспортных средств (НТС), а также методики расчета технико-экономической эффективности применения и основных эксплуатационно-технических характеристик ТИУРЭС НТС. Рассматриваются особенности и методы управления проектами (проект-менеджмент) малых ТИУРЭС, а также правовые вопросы, связанные с их созданием и эксплуатацией. Р е ц е н з е н т ы: Л. Я. Родос, канд. техн. наук, профессор кафедры радиотехники СЗТУ; Д. В. Тигин, доктор техн. наук, проф., зав. кафедрой телекоммуникаций С.-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения.

Геннадий Иванович Худяков ТРАНСПОРТНЫЕ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ: Учебное пособие. ©Худяков Г. И., 2003

2

ПРЕДИСЛОВИЕ Предметом изучения дисциплины специализации "Транспортные информационно-управляющие радиоэлектронные системы" (ТИУРЭС) являются перспективные полностью автоматизированные РЭС сухопутной навигации, дистанционного контроля состояния и охраны (мониторинга) и оперативного централизованного управления передвижением (диспетчеризации) различных сухопутных, речных, воздушных и других транспортных средств, а также методы управления реализацией проектов таких систем (прикладной проектменеджмент). В настоящее время современные средства сухопутной подвижной радиосвязи нашли широкое применение на наземном транспорте как за рубежом, так и в Российской Федерации. Дальнейшим шагом на пути полной информатизации транспортно-технологических комплексов отдельных предприятий, городов и регионов страны является внедрение на транспорте перспективных ТИУРЭС. Поэтому подготовка специалистов, владеющих основами ТИУРЭС и обладающих знаниями по прикладному проект-менеджменту в этой области, представляется весьма актуальной задачей. Дисциплина имеет комплексный характер и для ее изучения необходимы знания и навыки, полученные студентами при изучении фундаментальных и специальных дисциплин, которые входят в учебный план специальности 200700 “Радиотехника”. Непосредственной информационной базой дисциплины являются следующие дисциплины: цифровые устройства и микропроцессоры, устройства генерирования и формирования сигналов, устройства приема и обработки сигналов, системы и сети подвижной радиосвязи, радиотехнические системы. Цель преподавания дисциплины – овладение студентами знаниями и навыками в области системотехнического проектирования ТИУРЭС различного назначения, а также ознакомление с информационными и правовыми вопросами, связанными с реализацией проектов современных ТИУРЭС. Специалист по системотехническому проектированию ТИУРЭС должен ЗНАТЬ: 1. Современное состояние и перспективы развития ТИУРЭС; 2. Общую классификацию, структуру и функциональные возможности ТИУРЭС; 3. Основные эксплуатационно-технические требования по ТИУРЭС различного назначения и методы их расчета;

3

4. Особенности и эксплуатационно-технические характеристики составных частей ТИУРЭС и их аппаратурного обеспечения; 5. Особенности электронно-картографического и программно-математического обеспечения ТИУРЭС; 6. Критерии и методы оценки эффективности использования ТИУРЭС в различных транспортно-технологических операциях; 7. Методологию управления реализацией ТИУРЭС. Специалист по системотехническому проектированию ТИУРЭС должен УМЕТЬ: 1. Проводить содержательный анализ назначения и требуемых функциональных возможностей ТИУРЭС в конкретных условиях их применения; 2. Разрабатывать совокупность системных эксплуатационно-технических требований по ТИУРЭС и выбирать критерии сравнения вариантов построения ТИУРЭС; 3. Разрабатывать общую структуру ТИУРЭС и рассчитывать ожидаемые эксплуатационно-технические характеристики составных частей ТИУРЭС; 4. Выбирать технические средства составных частей ТИУРЭС и их интерфейсов; 5. Разрабатывать альтернативные варианты построения ТИУРЭС и выбирать оптимальный вариант; 6. Разрабатывать обобщенную структуру электронно-картографического и программно-математического обеспечения ТИУРЭС и основные требования к ее вычислительному комплексу. Специалист должен также ИМЕТЬ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ о правовых вопросах, связанных с созданием и эксплуатацией ТИУРЭС, и о возможностях информационного обеспечения проектов ТИУРЭС. Освоение студентами дисциплины "Транспортные информационноуправляющие радиоэлектронные системы" обеспечит выпускнику СЗТУ возможность работать проект-менеджером (управляющим проектами – главным конструктором) или менеджером по направлению в области информатизации транспортно-технологических комплексов предприятий, городов или регионов. Учебное пособие подготовлено на основе лекций, читанных автором на факультете радиоэлектроники СЗТУ в 1998-2001 гг.

Май 2002 г. Г.И.Худяков

4

ВВЕДЕНИЕ. Транспортные информационно-управляющие системы Транспорт является важнейшей отраслью материального производства и жизнедеятельности современного общества. Транспорт осуществляет перевозку пассажиров и самых разнообразных грузов в масштабах предприятий, городов, регионов, континентов и в глобальном масштабе. Поэтому транспорт представляет собой очень сложную иерархическую систему, объединяющую транспортные средства, транспортную инфраструктуру и подсистемы управления функционированием транспортно-технологических комплексов. Сложность такой системы определяется не столько большим количеством и разнообразием ее элементов, сколько плохой предсказуемостью поведения и слабой управляемостью системы. Это усугубляется также наличием в системе большого количества субъективных элементов, являющихся неотъемлемой частью транспортной системы: водителей (пилотов, рулевых, машинистов), операторов (штурманов, радистов, проводников), диспетчеров и менеджеров различного уровня. Эффективность функционирования такой сложной «человеко-машинной» (эрготехнической) системы существенно зависит от уровня автоматизации работы субъективных элементов системы, в первую очередь – в оперативном звене управления: диспетчер-водитель. А необходимые для этого технические средства автоматизации определяются как общим уровнем развития техники, так и особенностями данного вида транспорта. С этой точки зрения транспорт можно подразделить на шесть видов: • автомобильный, • водный (речной, озерный, прибрежный – каботажный), • морской, • воздушный, • железнодорожный, • трубопроводный. Основой технических средств автоматизации на последних двух видах транспорта является электрорадиоавтоматика. Особенности технических средств управления на остальных видах транспорта зависят от того, маршрутный это транспорт или немаршрутный ("свободного полета"). Маршрутный транспорт в штатном режиме работы не требует жесткого оперативного управления передвижением транспортных средств: достаточно выдачи маршрутного задания и послерейсового контроля. Немаршрутный – требует постоянного дистанционного наблюдения за передвижением транспортных средств (мониторинга) и (или) централизованного оперативного управления движением транспорта (диспетчеризации).

5

Наиболее сложной задачей оперативного контроля состояния и управления движением транспортных средств является последняя: диспетчеризация – в особенности такого динамичного и слабоуправляемого вида транспорта, как автомобильный. В 1960-70-80-х годах XX в. в “автомобильных” странах мира делались всевозможные попытки хотя бы частично автоматизировать процессы управления движением автотранспорта, которые, однако, не приводили к эффективному решению этой задачи. В 1990-х годах развитие перспективной радиосвязи, радионавигации, радиоэлектроники и компьютерной техники позволило инженерам блестяще решить задачу полной автоматизации процессов оперативного мониторинга (контроля) и диспетчерского управления передвижением наземных транспортных средств (НТС), включая пешеходов и крупных животных, и создать транспортно-технологические комплексы беспрецедентной надежности, безопасности, комфортности и управляемости. Начиная с 1993 г. наблюдается экспоненциальный рост числа современных транспортных информационноуправляющих радиоэлектронных систем (ТИУРЭС), которые интенсивно вводятся в эксплуатацию и активно осваиваются на самых различных автотранспортных предприятиях, а также в массовых масштабах устанавливаются на личном автотранспорте. Такой “революционный технический провыв” на автотранспорте привел к тому, что и на других видах транспорта остро встал вопрос о замене традиционных технических средств автоматизации процессов дистанционного управления передвижением соответствующих транспортных средств современными радиоэлектронными средствами ТИУРЭС. Поскольку технические революции такого масштаба совершаются не каждое десятилетие, интересно и поучительно познакомиться с историей развития этой революции. После приводимого ниже исторического экскурса далее в настоящем учебном пособии основное внимание будет уделено техническим и программным средствам систем централизованного оперативного управления движением наземного транспорта: радиосистемам диспетчерского управления (РСДУ). 1. Исторические предпосылки современных ТИУРЭС С древнейших времен – с изобретением наземных (и водных) транспортных средств (ТС), позволяющих человеку передвигаться с достаточно высокой скоростью и (или) на достаточно большие расстояния (колесницы, корабли и т. п.) – возникла потребность в создании различных технических средств, помогающих водителю ТС ориентироваться в пространстве и направлять ТС к выбранному месту назначения, а также сообщать оператору (диспетчеру) транспортных перевозок о своем местонахождении и получать от него соответствующие инструкции (команды оперативного управления).

6

Со временем в проблеме управления передвижением ТС выделились три относительно самостоятельные задачи. Во-первых, водителя, например, наземного транспортного средства, интересует ответ на вопрос: "Где я сейчас нахожусь и куда мне следует двигаться дальше?" Это – задача автономного местоопределения ТС и автономной навигации. Во-вторых, оператора, контролирующего транспортные перевозки, интересует ответ на вопрос: "Где сейчас находятся мои ТС, в каком они состоянии и нет ли необходимости предпринять меры по оказанию технической или иной помощи водителю какого-либо ТС?" Это – задача дистанционного контроля состояния или мониторинга ТС. Наконец, третий вопрос, ответ на который (после ответа на первые два) волнует и водителей ТС, и диспетчера перевозок: "Куда данному ТС направляться дальше – после выполнения очередного задания или изменения обстановки?" Это – оперативное дистанционное управление движением или диспетчеризация транспортных средств. Отсюда следует, что для дистанционного контроля состояния и оперативного управления движением ТС нужны три основные технические средства: для местоопределения ТС, для односторонней или двусторонней связи с ТС, а также средства документирования и отображения соответствующей транспортной обстановки в удобном для операторов виде. На пересеченной местности и на дорогах первая задача решалась ранее достаточно просто: водитель ориентируется “по памяти”, по рельефу местности, по указателям, по ориентирам, путем расспроса местных жите-лей и т. п. Но на закрытой или слабопересеченной местности эта задача становится достаточно сложной. Что касается морского транспорта, то еще древние финикийцы и греки научились довольно хорошо ориентироваться на просторах Средиземного моря по звездам и по солнцу. На рубеже XIII века был изобретен геомагнитный компас, который позволил позднее португальцам и испанцам освоить океанские просторы Земли, проложить пути в Индию и в Америку, сделать великие географические открытия. Связь с метрополией осуществлялась с помощью записок в бутылках, встречных кораблей, голубиной почты и т. п. Документирование и отображение путевой информации производилось вручную на различных картах и схемах. В 1731 г. англичанин Дж. Хэдли изобрел секстан, а в 1761 г. Харрисон создал хронометр с точностью хода 15 с за 156 дней (нестабильность около 1/1.000.000). Эти приборы позволяют довольно точно определять широту и долготу судна в открытом море, а компас – ориентировать карту. XX век предоставил в распоряжение моряков различные радиосистемы дальней и глобальной навигации, а также радиосвязь и вычислительную технику. Плавание по морям и океанам стало для штурманов и капитанов достаточно простым, а с появлением современных средств вычислительной

7

техники и отображения информации, спутниковых радиосистем глобальной навигации и связи – весьма комфортным. Деятельность современного штурмана из искусства превратилась в рутинную работу по вводу данных в компьютер и по наблюдению за работой электроники. Таким образом, XX век закончился полным удовлетворением потребностей морского флота, а также дальней авиации в соответствующих технических средствах дистанционного контроля состояния и оперативного управления движением кораблей и самолетов. По различным причинам развитие технических средств управления движением ТС на сухопутном транспорте значительно отставало от морского и воздушного. Однако еще в I в. н. э. египтяне и китайцы, которым приходилось пересекать на колесницах пустыни и степи, изобрели одометр – механический прибор для счисления пройденного по пустыне или по степи пути, а направление движения они узнавали по небесным светилам. Пара механических одометров, установленных на противоположных колесах одной оси, показывают не только пройденный путь, но и углы поворота наземного транспортного средства (НТС) – дифференциальный одометр. До него додумались китайцы в III в. н. э. На автомобиле впервые современный дифференциальный одометр испытал в 1971 г. Мейер в аппаратуре VEPOL с механическим компьютером [44]. Растущая год от года интенсивность движения на автодорогах заставила инженеров снова и снова возвращаться к проблемам дистанционного управления передвижением НТС. Так, в 1966 г. американская фирма "General Motors" предложила систему DAIR для маршрутного контроля движения автобусов. На остановках или на перекрестках улиц установили электромагнитные датчики. При прохождении мимо них маршрутного автобуса датчик срабатывает, а соответствующий сигнал по проводам или по радиоканалам передается на диспетчерский центр. Такие системы эксплуатируются до сих пор. В России – это АСДУ-А, НЭЖАН и др. [24]. Позже появилась американская система ERGS с радиомаячками в качестве датчиков прохождения мимо них автобусов. У нас это – системы "Рейс" и "Старт". С начала 1970 гг. от системы ERGS в США отказались из-за ее дороговизны – с точки зрения организаторов американского общественного транспорта. Однако в Германии, в Японии и в России эти системы работают и поныне. Американцы пошли дальше: в 1972 г. Френч запатентовал систему счисления пути с припассовкой (“подгонкой”) маршрута к цифровой карте-схеме городской дорожной сети. Это дало новое качество при автономном местоопределении автомобиля и при диспетчеризации. Фирма "Etak" наладила серийный выпуск таких систем, которые с 1985 г. имели рыночное название "Navigator". Германская фирма "Bosch" разработала аналогичную систему "Travel Pilot" и с 1989 г. продавала бортовое оборудование этой системы по цене 2000 дол. США.

8

Немцы продолжали совершенствование системы с дорожными маячками – и в 1990 г. в Зап. Берлине ввели в действие систему LISB на основе инфракрасных маячков, которые устанавливаются на основных перекрестках и соединяются кабелем с центральным пунктом управления. Бортовой комплекс аппаратуры LISB включает электронный гирокомпас, микро-ЭВМ, ИК-приемопередатчик, жидкокристаллический дисплей водителя, пульт ввода данных и дифференциальный одометр. При проезде автомобиля мимо ИК-маячка бортовой комплекс принимает информацию о своем месте (по коду маячка), сбрасывает накопившуюся погрешность счисления пути, рассчитывает дальнейший маршрут и пиктограммами на дисплее показывает водителю, куда ехать дальше. К началу 1992 г. в Берлине было введено 300 ИК-маячков и оборудовано около 1000 автомобилей. Бортовая аппаратура стоила $400 + $100 в год за обслуживание. За семь лет эксплуатации это составляло в сумме $1100 на один борт. В 1980-х гг. разрабатывались аналогичные системы в Англии, в Японии, во Франции. В 1980-х гг. выяснилось, что перспективы автоматизации дистанционного управления автомобильным движением принадлежат РСДУ, использующим сигналы радиосистем дальней и глобальной навигации и современную сухопутную подвижную радиосвязь. Однако до последнего десятилетия ХХI в. насущные потребности наземного транспорта в радиоэлектронных средствах сухопутной навигации инженеры не могли удовлетворить по четырем основным причинам: а) габаритно-стоимостные и энергопотребительские ограничения; б) очень высокие требования наземного транспорта к точности местопределения и к доступности сигналов РНС (в центре города требуется точность местоопределения не хуже 10 м при доступности сигналов РНС свыше 90% , что в условиях городских застроек с помощью одних только радионавигационных средств не выполнимо); в) в автомобиле обычно нет свободного от непосредственного управления движением автомобиля (вождения) штурмана, а потому решение задач сухопутной навигации должно быть полностью автоматическим; г) у водителя автомобиля глаза и руки постоянно заняты маневрированием в быстро меняющейся дорожной обстановке, и регулярное общение с ним автоматизированного бортового комплекса сухопутной навигации возможно только речевое; визуальное – является дополнением (опцией). Можно указать восемь основных функций, которые должен выполнять автоматически, например, бортовой комплекс радиоаппаратуры сухопутной автомобильной навигации: - давать электронно-картографическое отображение территории, по которой движется автомобиль ("безбумажная технология" сухопутной навигации); - прокладывать оптимальный (по заданному критерию) маршрут следования;

9

- давать отметки на электронной карте текущего местоположения автомобиля; - предупреждать водителя о предстоящих особенностях маршрута и о возможных препятствиях на пути следования, а также отклонениях от маршрута (автоматическая проводка по маршруту); - обеспечивать информационную поддержку водителя во время движения и маневрах (предупреждать об опасности столкновения с соседними, впереди и сзади идущими НТС, с дорожными поребриками и т. п.); - информировать водителя о текущих изменениях условий автодорожного движения по маршруту следования; - давать любую требующуюся водителю справочную информацию; - контролировать действия водителя и брать управление автомобилем на себя в чрезвычайной ситуации (блокировка дверей, ремней безопасности, торможение или остановка автомобиля при опасности столкновений, наполнение воздушных подушек при аварии, включение средств пожаротушения при возгораниях и т. п.). Развитие радиоэлектроники и вычислительной техники, а также прогресс в микроминиатюризации радиоаппаратуры позволили приступить к удовлетворению этих весьма жестких требований. В то же время, решение проблемы диспетчеризации НТС было связано с развитием систем сухопутной подвижной радиосвязи. Первые экспериментальные системы радиосвязи на автотранспорте появились в 1921 г. в Детройте (США) [35]: было осуществлено одностороннее радиовещательное управление полицейскими автомобилями. В начале 1930-х годов были созданы мобильные радиопередатчики и в г. Бейонне (шт. НьюДжерси, США) Департаментом полиции была введена в эксплуатацию система двусторонней сухопутной подвижной радиосвязи (СПР). Уже к 1934 г. в США 58 стационарных радиостанций управляли с помощью двусторонней речевой связи передвижением свыше 5000 служебных автомобилей. Во время Второй мировой войны для систем радиосвязи на военном автотранспорте США было выпущено несколько сотен тысяч усовершенствованных мобильных радиостанций. Это подготовило аппаратурную основу для послевоенного развития систем СПР общего пользования. В 1950-х гг. во многих странах мира для автотранспортных предприятий и организаций разрабатывались различные системы СПР: автономные радиотелефонные системы, автономные системы речевого дистанционного управления (АСДУ) передвижением парка автотранспортных средств, системы персонального радиовызова и аварийной радиосвязи. В СССР в 1963 г. впервые в мире была введена в эксплуатацию межведомственная многоканальная радиотелефонная система общего пользования “Алтай”, имевшая выход в городскую автоматическую телефонную сеть (ГАТС) и автоматический поиск свободного и вызывного радиоканалов (прообраз транкинговых систем СПР).

10

В конце 1970-х – начале 1980-х годов в некоторых странах мира появились и начали успешно развиваться общедоступные коммерческие сотовые системы СПР: 1979 г. – Япония, 1981 г. – скандинавские страны и США, 1985 г. – Великобритания. Это были аналоговые радиотелефонные территориальные системы СПР с наземным базированием ретрансляторов. В 1990-х гг. были введены в эксплуатацию современные системы СПР общего пользования второго поколения, основанные на цифровых способах передачи информации и использующие как наземное, так и космическое базирование ретрансляторов: GSM-900, GSM-1800 (DCS-1800), GSM-1900 (PCS-1900), JDC, DAMPS, CDMA – наземное базирование; Globalstar, Orbcomm, Iridium – космическое базирование. В 2000-х гг. планируется объединить отдельные территориальные, национальные и региональные системы СПР во всемирном масштабе, интегрировав их в общеевропейскую универсальную систему СПР (UTMS) и во всемирную систему СПР общего пользования (FPLMTS). Российские системы СПР будут интегрированы во Взаимоувязанную сеть связи России (ВССР) и сопряжены с UTMS и FPLMTS. Развитие ТИУРЭС с самого начала потребовало создания цифрового картографического обеспечения этих систем. Одной из первых фирм, занявшихся цифровой картографией применительно к ТИУРЭС, является американская корпорация Etak, которая в 1984 г. включила ее в состав программного обеспечения системы “Navigator”. В настоящее время цифровая картография получила широчайшее развитие и включается в состав различных компьютерных географических информационных систем (ГИС). Таким образом, развитие современной радиоэлектроники и компьютерных технологий привело к тому, что начиная с 1980 г. за рубежом началось бурное развитие РЭС сухопутной навигации и систем ТИУРЭС, которое, однако, имело свои особенности в различных странах и регионах мира 2. Развитие ТИУРЭС в Западной Европе [24, 36, 44] Первые радиосистемы автоматической сухопутной навигации появились почти одновременно в США и в Великобритании в начале 1970-х гг. В 1979 г. Германский институт местоопределения и навигации (DGON) под патронажем Минтранса ФРГ учредил комиссию "Применение технических средств местоопределения и навигации на наземном транспорте", которая в 1980 г. организовала исследовательскую группу "Автоматическое местоопределение и навигация наземных транспортных средств" под руководством Б. Эйлерта. Эта группа провела анализ состояния развития ТИУРЭС, разработала основные эксплуатационно-технические требования к системам управления движением наземного транспорта в городах Зап. Европы, согласованные со специалистами США, и наметила перспективы дальнейшего развития ТИУРЭС в Зап. Европе. В Великобритании они были дополнены требованиями к системам диспетчери-

11

зации и автономной навигации междугородного автотранспорта. Доклад "группы Эйлерта" обсуждался и дополнялся на I Международной конференции по проблемам ТИУРЭС в 1984 г. (DGON + RIN, Мюнстер), на ежегодной конференции NAV'85 Королевского института навигации (RIN) в 1985 г. (RIN, Йорк) и в 1987 г. – на совещании DGON в местечке Тагунгсбанд (ФРГ). Окончательный текст доклада "группы Эйлерта" был одобрен Комиссией DGON в середине 1988 г. и опубликован как официальный документ. В этот же период по инициативе ведущих европейских автомобильных фирм была развернута обширная паневропейская система программ НИОКР по проблемам информатизации автодорожного движе-ния под общим названием EUREKA, управляемая Европейской Комиссией "European Comission EUREKA". Основными программами системы EUREKA являлись две согласованные между собой программы (PROMETHEUS и DRIVE), нацеленные на создание автоматизированной субконтинентальной радиоэлектронной системы координатно-информационного обеспечения городских, междугородных и международных транспортных перевозок беспрецедентной безопасности, эффективности, экономичности и управляемости. Программа DRIVE была направлена на развитие информационной инфраструктуры транспортной сети Зап. Европы, а PROMETHEUS – на создание ТИУРЭС. В программе PROMETHUS участвовало 15 автомобильных фирм, более 100 радиоэлектронных компаний и около 70 НИИ из 9 европейских стран. Программа была запущена осенью 1986 г. За первый год было рассмотрено и обобщено около 700 предложений различных НИИ. К 1988 г. была выработана концепция программы и предложены для разработки соответствующие проекты на 1989-94 гг. После проведения в 1988 г. организационных работ началась разработка проектов программы под руководством "Комиссии по управлению проектом PROMETHEUS". Комиссия установила, что системы управления транспортными потоками должны являться интегрированными системами местоопределения, прокладки маршрута и оперативного управления движением автомобилей по этим маршрутам и должны давать возможность управлять автодорожным движением посредством радиосвязи между транспортными средствами и компьютеризованным придорожным оборудованием, разрабатываемым по программе DRIVE. Типичными функциями таких систем являются: динамическая проводка по маршруту, контроль транспортной загрузки дорожной сети, организация парковки автомобилей и т.п. При разработке программы PROMETHEUS остро встал вопрос о радионавигационном обеспечении западноевропейского субконтинента. В Зап. Европе существовали две цепочки длинноволновой РНС "Loran-C": Североевропейская и Средиземноморская. Однако, во-первых, изначально они были предназначены для морской навигации: зоны их действия охватывают лишь небольшую прибрежную полосу суши. Во-вторых, обе цепочки принадлежали США,

12

эксплуатировались Минтрансом США и, согласно Федеральному радионавигационному плану США 1988 г. (FRP-88), подлежали либо ликвидации, либо продаже Европейскому сообществу. В наиболее выгодном положении оказалась Великобритания, так как ее территория входит в рабочую зону Североевропейской цепи РНС "Loran- C", а также РНС "Decca" частной фирмы "Decca Navigator". Поэтому Минтранс Великобритании решил заменить обслуживающие ее территорию РНС на собственную РНС типа "Loran-C". Что касается использования в Европе сигналов спутниковой РНС "Navstar" (GPS), то и здесь возникли проблемы политического характера: система "Navstar" принадлежит Минобороны США – и в любой момент сменой кодов сигналов СРНС Соединенные Штаты могут парализовать работу европейских систем управления передвижением наземного транспорта, базирующихся на использовании сигналов СРНС "Navstar", что и было продемонстрировано в 1991 г. во время проведения операций "Буря в пустыне" и "Меч в пустыне". В связи с этими обстоятельствами в 1988 г. была организована Европейская компания "Locstar", которая начала разработку проекта спутниковой радионавигационной системы с точностью местоопределения около 100 м для координатно-временного обеспечения сухопутной наземной навигации в Зап. Европе на основе геостационарных спутников (RDSS), а германская фирма AEG (г. Гамбург) разработала проект системы диспетчеризации автомобилей VELOC с использованием для местоопределения НТС сигналов европейской системы RDSS. По результатам этих работ в 1993 г. была создана группа по изучению вопроса координатного обеспечения Зап. Европы "Tri-Partite", которая пришла к выводу о необходимости создания к 2000 году общеевропейской (с участием России) спутниковой РНС EGNOS ("European Geostationary Navigation Overlay Service"), основанной на геостационарных ИСЗ и предназначенной, в основном, для обслуживания европейских пользователей американской СРНС GPS. Для координации работ по развитию радионавигационного обеспечения транспортных сетей Зап. Европы Группа по выработке регламента ("Steering Group") Европейской комиссии по транспортным сетям DG VII в 1997 г. закончила разработку общего проекта Европейского радионавигационного плана (ERNP), касающегося пятнадцати стран Евросоюза, Норвегии и Исландии. Согласно этому проекту, в перспективе радионавигационное обеспечение Центральной и Зап. Европы должно было базироваться на совместном использовании общеевропейских (интегрированных с российскими) цепей ИФРНС ("Loran-C"/"Чайка") и собственной СРНС гражданского назначения на среднеорбитальных ИСЗ. Система EGNOS разрабатывалась и вводилась в строй в 1997-2000 гг. В это же время был разработан технический проект европейской среднеорбитальной спутниковой РНС "Galileo" (GNSS-2), аналогичной СРНС GPS и ГЛОНАСС – и сопряженной с системой EGNOS (GNSS-1). В 1999 г. было реше

13

но ввести в эксплуатацию систему "Galileo" к 2009 г., а также дополнить радионавигационное поле СРНС "Galileo" на территории Зап. Европы низкочастотным радионавигационным полем ИФРНС (проект GLORIA). В 1994 г. предварительные итоги работы по программам PROMETHEUS и DRIVE II были подведены на третьей конференции по проблемам ТИУРЭС (DGON + RIN, Дрезден), а в начале 1995 г. было решено продолжить работы по этим предконкурентным программам в 1995-98 гг. в рамках программ PROMOTE и MICROMOBILE (по тематике программы PROMETHEUS), а также DRIVE III. Проведение этих работ управлялось организацией "European Road Telematics Implementation Coordination Organization" (ERTICO). По условиям предконкурентных работ все участники и спонсоры этих программ имеют равный доступ к результатам работ и не имеют права патентовать отдельные технические решения, найденные в процессе разработки программ. Однако после 1998 г. вступили в силу законы конкурентной борьбы за европейский и мировой рынок между всеми участниками программ. 2. Развитие ТИУРЭС в США [24, 33, 36, 44] С 1978 г. Министерство обороны и Министерство транспорта США совместно разрабатывают и периодически уточняют Федеральный план развития радионавигации США (FRNP). Первый такой план был представлен Конгрессу США в 1980 г., а начиная с 1986 г. FRNP уточняется каждые два года. FRNP охватывает все системы радионавигации и УВД и все области их военного и гражданского применения. В FRNP-90 были сформулированы предварительные технические требования к ТИУРЭС, а относительно сухопутной гражданской радионавигации сказано, что Минтранс США не планирует никаких исследований и разработок по развитию радионавигации для наземных потребителей. Тем не менее, работы по созданию технических средств автономной сухопутной навигации и диспетчеризации НТС проводились частными фирмами и администрацией штатов (начиная с 1970 г.), и к 1990 г. в США эксплуатировалось уже около тридцати автоматизированных систем диспетчеризации различных типов и назначения: междугородные перевозки, муниципальный транспорт и т. п. Использование РНС в сухопутной гражданской навигации Минтранс США контролировал с целью выявления необходимости дальнейших исследований в национальном масштабе. Управление научных исследований и специальных программ (RSPA) контролировало работы частного сектора. Развитие систем сухопутной радионавигации в США тормозилось отсутствием радионавигационного поля РНС "Loran-C" в средней части страны и малым количеством навигационных ИСЗ экспериментальной спутниковой РНС "Navstar". Фирма "Megapulse" ввела в эксплуатацию четыре дополнительные опорные станции РНС "Loran-С", в результате чего с апреля 1991 г. вся территория США получила регулярное покрытие зонами действия цепей ИФРНС "Loran-С", которые полностью обеспечили потребности как граждан-

14

ской авиации в зональной навигации, так и наземного транспорта в координатном обеспечении систем сухопутной навигации. Возможности спутниковой РНС "Navstar", срочно развернутой в ходе подготовки США к войне в зоне Персидского зал. в начале 1991 г., и длинноволновой РНС "Loran-C", уже имевшейся в этом регионе, для обеспечения навигации наземных транспортных средств было в полной мере продемонстрировано в ходе боевых операций "Буря в пустыне" и особенно – "Меч в пустыне". В них американскими вооруженными силами было использовано около 12 тыс. приемоиндикаторов РНС "Navstar" и 15 тыс. – РНС "Loran-C". На эту демонстрацию возможностей РНС "Navstar" незамедлительно откликнулся внутренний рынок США: заявки на приемоиндикаторы СРНС и ИФРНС возросли в десятки раз, а многие радиоэлектронные фирмы, транспортные предприятия, муниципальные службы и администрации отдельных штатов начали ускоренные исследования и разработки по использованию сигналов ИФРНС и СРНС на сухопутном транспорте. За один-два года ведущие радиоэлектронные фирмы разработали и предложили пользователям, в том числе и сухопутным гражданским, свыше 300 моделей приемоиндикаторов СРНС "Navstar" – начался настоящий "спутниковый бум". С 1992 г. в США систематически наращивалось количество действующих РСДУ с приростом около 50% в год – и в 1995 г. оно превысило 175 единиц, 80% из которых использовали сигналы СРНС "Navstar", а количество автотранспортных средств, оборудованных БКСН, превысило 10 тысяч (в основном – междугородные автобусы) при ежегодном их приросте на 6000 комплектов. Отметим, что в FRNP-92 планировалось довести эту цифру до 2,5 млн.; однако внутренний рынок США не откликнулся на "постперсидскую эйфорию" из-за дороговизны (около 10 тыс. дол.) БКСН и недостаточного развития индустрии электронно-картографического и программно-информационного обеспечения ТИУРЭС. Разработку серийных приемоизмерителей (ПИ) СРНС "Navstar" для военных пользователей Министерство обороны США в 1992 г. поручило трем радиоэлектронным фирмам: "Trimble Navigation" (США) – портативные ПИ; GARMIN (США) – авиационные и сухопутные ПИ и "Navstar Systems" (Великобритания) – морские ПИ СРНС. После удовлетворения госзаказа фирма "Trimble Navigation", а впоследствие фирмы GARMIN и "Navstar Systems" представили на мировой рынок радиоэлектроники целый ряд конверсионных моделей ПИ СРНС различного гражданского применения. Для взаимной координации своих действий около 500 фирм и организаций, занимающихся проблематикой ТИУС, учредили общество (ассоциацию) "IVHS America" ("Информационно-управляющие системы на автодорожном транспорте Америки"), а Институт электро- и радиоинженеров (IEEE) начиная с 1989 г. ежегодно проводил международную научно-техническую конференцию "Системы навигации и информации на наземном транспорте" (VNIS). В мае 1994 г. общество "IVHS America" приняло проект национальной программы

15

развития ТИУС ("National Program Plan for IVHS"). Национальная программа подразделяет все проекты на 29 групп по шести категориям: - управление маршрутом и расписанием движения НТС; - управление движением общественного транспорта; - электронный сбор дорожных платежей; - обслуживание торгового транспорта; - управление движением транспортных средств в чрезвычайных ситуациях; - системы обеспечения безопасности на транспорте. В 1995 г. "IVHS America" расширила круг своей деятельности и включила в поле своих интересов системы и средства координатно-информационного обеспечения не только НТС, но и пешеходов, и не только на дорогах, но и в условиях бездорожья и в помещениях. В связи с этим общество было переименовано в "ITS America" ("Информационно-управляющие транспортные системы Америки"). В процесс развития американских ТИУРЭС общего применения в 1991 г. включилось Федеральное Правительство. Оно выделило ассоциации "IVHS America" на 6 лет 659 млн. дол. по Закону о рентабельности комбинированных перевозок наземным транспортом (ISTEA) на программу развития шести направлений по разработке и внедрению систем ТИУРЭС. Ассоциация "IVHS America" провела предварительные оценки стоимости развития массовой индустрии ТИУРЭС и в мае 1992 г. представила их Минтрансу США. По оценкам ассоциации – для развития массовой индустрии ТИУРЭС необходимо выделять из федерального бюджета в течение 20 лет около 10 млрд дол. ежегодно. Таким образом, с 1992 г. развитие ТИУРЭС в США вышло на уровень государственного регулирования и финансирования. В марте 1994 г. Минтранс США опубликовал федеральную программу "Intelligent Vehicle Highway Systems (IVHS) Projects", в которой представлены планы всех предстоящих в 1994-97 гг. испытаний по использованию СРНС "Navstar" на наземном транспорте и которая содержала одиннадцать программ испытаний. Координировала работы по этим проектам Федеральная автодорожная администрация (FHWA). В FRNP-94 [52] Минтранс США существенно расширил разделы, посвященные радионавигации на наземном транспорте, а также впервые включил в FRNP обширное приложение A. 4 по транспортным информационно-управляющим системам (ТИУС): "Intelligent Transportation Sys-tems". Там было сформулировано 28 видов услуг, предоставляемых пользователям ТИУС, которые классифицированы по шести рубрикам, аналогичным предложенным "IVHS America". Определена также общая структура ТИУС и программа ближайших федеральных работ по тематике ТИУС. В июне 1996 г. Минтранс США завершил трехлетнюю программу выработки общей архитектуры единой национальной системы ТИУС и ее компонентов для 29 видов пользователей. На разработку этой архитектуры было затрачено 20 млн. дол.; описание архитектуры US ITS содержится в 16 томах общим объемом около 5500 страниц.

16

В 1996-2000 гг. Минтранс США, исходя из завершенной архитектуры ТИУС, разработал все основные национальные стандарты на интерфейсы и протоколы связи компонентов ТИУС. Для развития системы "Navstar" (GPS) Минобороны и Минтранс США учредили Межведомственный исполнительный совет по GPS (IGEB), который в 1997-99 гг. разработал программу развития GPS на период 2000-2030 гг. в интересах как военных, так и гражданских пользователей. Для военных пользователей в 2003-05 гг. вводятся более совершенные навигационные сигналы точной привязки (М-кода). Для гражданских пользователей снимается режим "селективного доступа" (с 01.05.2000 г.), вводится сигнал С/А-кода на второй частоте L2 (2003-05 гг.), а для гражданской авиации в 2005-10 гг. добавляется широкополосный сигнал точной привязки в поддиапазоне L5. Для обеспечения пользователей системы GPS дифференциальными поправками и сигналами нарушения ее целостности (особенно – в гражданской авиации) в США в 2002 г. будет создана межрегиональная дифференциальная подсистема WAAS на основе восьми геостационарных ИСЗ. В дополнение к системе WAAS создаются локальные дифференциальные подсистемы LAAS. Федеральное авиационное агентство США (FAA USA) в 1998 г. Приняло решение о поэтапном дополнении, а в дальнейшем – замене традиционных радиотехнических средств организации и управления воздушным движением техническими средствами ITS. В июне 1995 г. сотрудники девяти вузов США учредили в г. Салайна (шт. Каназас) национальный Консорциум по развитию учебного курса СРНС-ГИС во главе с Канзасским ун-том. В осеннем семестре 1995 г. в Канзасском ун-те были апробированы два вводных курса: "Введение в GPS" и "Введение в ГИС". К осени 1997 г. авторы курсов доработали их, а также разработали основной курс "Совместное применение СРНС и ГИС" и ввели учебные материалы по этим курсам в систему "Internet" – для оперативной подготовки преподавателей других вузов Консорциума по новой специализации. Специалистов по ТИУРЭС готовил также факультет прикладной геодезии канадского Университета г. Калгари – под руководством проф. Эдуарда Кракивского. 4. Развитие ТИУРЭС в Японии [24, 47] Условия, определившие развитие РЭС сухопутной навигации в Японии, имели следующие особенности: малые размеры территории японских островов с хорошо развитой дорожно-транспортной инфраструктурой и c большой плотностью населения;

17

наличие на всей территории Японии радионавигационных полей всех видов РНС: сверхдлинноволновой РНС "Omega", длинноволновой "Loran-C" и СРНС "Navstar"; высочайший уровень радиоэлектронных технологий и производительности труда. Япония приступила к частно-рыночному развитию радиоэлектронных систем автомобильной навигации несколько позднее своих основных конкурентов, однако – в форсированном режиме. В результате этого в Японии уже в 1996 г. насчитывалось около миллиона автомобилей, оснащенных компьютеризованными бортовыми комплексами автономной сухопутной навигации, при ежегодном их приросте на 1 млн. комплектов. Заметим, что если в 1988 г. комплект БКСН стоил около 10 тыс. дол. США, то в 1996 г. такой комплект имел цену $1800; при этом в 1988 г. основная часть стоимости БКСН приходилась на ПИ СРНС, а в 1996 г. стоимость ПИ СРНС составляла лишь около 20 % от общей стоимости БКСН. Бурное развитие радиосистем диспетчеризации японского наземного транспорта разбивается на два периода: 1983-89 гг. и – начиная с 1992 г. Развитие ТИУРЭС в Японии уже с 1973 г. имело государственную поддержку: Министерство международной торговли и промышленности (MITI) финансировало проект разработки системы мониторинга токийского маршрутного общественного транспорта (7 млрд. йен на 6 лет). Натурные испытания макета системы оказались успешными, и в 1979 г. для дальнейшего развития ТИУРЭС MITI учредило японское общество "Association of Electronic Technology for Automobile Traffic and Driving" (JSK). Эта ассоциация при поддержке MITI содействовала бурному развитию ТИУРЭС I поколения, в результате чего с 1984 г. по 1989 г. в Японии количество эксплуатируемых РСДУ возрастало ежегодно на 45% и к 1989 г. достигло 20 единиц. ТИУРЭС I поколения основывались на использовании радиосигналов РНС "Loran-C". В 1989-91 гг. JSK переориентировалось на развитие РСДУ II поколения (на основе современной радиоэлектроники и СРНС "Navstar"), и с 1992 г. развитие РСДУ в Японии получило новый импульс: количество РСДУ ежегодно увеличивалось на 60% и в 1996 г. составило свыше 70 систем. В 1994 г. для единой координации развития в Японии современных ТИУРЭС было учреждено национальное общество "Vehicle, Road, and Traffic Intelligence Society" (VERTIS), которое включает представителей частной индустрии, науки, различных правительственных учреждений – и является аналогом "ITS America" и европейской ERTICO. Для обеспечения района Японских о-вов дифференциальными поправками системы GPS и сигналами ее целостности предполагается в 2004 г. ввести в строй японскую подсистему MSAS, аналогичную американской WAAS и европейской EGNOS.

18

5. Развитие ТИУРЭС в России [24] Историю развития современных ТИУРЭС в России можно отсчитывать от 1981 г., когда по заданию Технического управления МВД СССР в рамках НИР "Ориентир" сотрудниками Омского политехнического института были проведены предварительные исследования возможности применения сигналов фазовой РНС (ФРНС) "Omega" для местоопределения автомобилей в городских условиях (г.Омск), а в 1982 г. был испытан экспериментальный образец системы местоопределения милицейских патрульных автомобилей путем ретрансляции сигналов ФРНС "Omega" по штатному каналу УКВ-радиосвязи. Экспериментально достигнутая точность местоопределения (250÷350 м) оказалась недостаточной и дальнейшего развития эта система не получила. В 1982 г. сотрудниками Ленинградского научно-исследовательского радиотехнического института (ЛНИРТИ, ныне: Российский институт радионавигации и времени – РИРВ) были проведены экспериментальные исследования возможности местоопределения НТС в крупных городах по сигналам отечественной ИФРНС "Чайка". Абсолютная точность местоопределения (120÷150 м) удовлетворила заказчика и в 1983 г. началась разработка "Автоматизированной системы управления деятельностью дежурных частей милиции" (АСУ ДЧ). Головным разработчиком системы являлся НИИ автоматической аппаратуры (НИИАА – г. Москва), в части координатного обеспечения системы соисполнителем был ЛНИРТИ. В 1985 г. впервые в СССР ЛНИРТИ разработал автоматизированную аппаратуру определения координат (АОК) НТС по сигналам ИФРНС на традиционной элементной базе – АОК "Нева", а автозавод АЗЛК в 1991 г. поставил УВД г. Москвы партию спецавтомобилей "Москвич", укомплектованных бортовым электронным комплексом системы диспетчеризации передвижных милицейских групп. АОК "Нева" имела инструментальную точность определения РНП 0,15 мкс, мощность энергопотребления – 40 Вт, габариты основного блока 377×257×194 мм (19 куб. дм). В 1992 г. РИРВ разработал для АСУ ДЧ современный (по тем временам) автомобильный приемоизмеритель (ПИ) ИФРНС I поколения – ПРИЗ; однако НИИАА переориентировался на покупные ПИ спутниковой РНС "Navstar" и ПИ ПРИЗ востребован не был [23]. По собственной инициативе РИРВ продолжил совершенствование ПИ ИФРНС и в 1996 г. разработал опытный образец автомобильного ПИ ИФРНС II поколения "Балтика-А". ПИ "Балтика-А" имел потребляемую мощность 7 Вт, габариты основного блока 63×186×205 мм (2,4 куб. дм) и вес 1,5 кг. В 1990 г. Минтранс СССР начал искать пути совершенствования и унификации существовавших более чем в 50 городах РФ, и морально устаревших автоматизированных систем управления городским автотранспортом: "Taxifar" словенской фирмы "Iskra Elektrozveze" (г. Любляна), АСДУ-А, АСДУ-Т, "Нэжан-300", "Рейс", "Луч-2Б", "Надежда", "Алтай". Была четко осознана целе-

19

сообразность дополнить голосовую УКВ-радиосвязь средствами оперативного местоопределения НТС, передачи цифровой информации на диспетчерский центр, отображения НТС на электронной схеме города, а также необходимость полной компьютеризации процесса диспетчеризации. В 1991 г. сотрудниками РИРВ при поддержке Минтранса СССР были повторены экспериментальные исследования по местоопределению НТС в условиях города по сигналам ИФРНС "Чайка" (гг. Сочи, Орел, Москва, С.-Петербург) с помощью морского ПИ "Балтика", а также был создан и испытан (в июне 1991 г. в г. Орле) фрагмент РСДУ в составе: ПИ "Балтика", радиомодем фирмы "Iskra", канал УКВ-радиосвязи системы "Taxifar", персональный компьютер IBM PC 286 с электронной схемой г. Орла собственного изготовления. Испытания прошли успешно, и РИРВ получил заказ от Минтранса РФ на разработку опытного образца РСДУ первого поколения: "Транснавиком-1". Разработка была прервана в январе 1992 г. на этапе эскизно-технического проектирования из-за недостаточного финансирования работ. Статистическая обработка результатов экспериментальных исследований 1982 г. и 1991 г. показала следующее: - погрешности местоопределения НТС по сигналам ИФРНС в городских условиях в дифференциальном режиме местоопределения можно довести до требуемых в РСДУ величин (среднеквадратическое значение 5÷40 м); - цифровую информацию от НТС на ДП можно с высокой степенью достоверности передавать с помощью специализированного модема по традиционному каналу голосовой УКВ-радиосвязи; - доступность сигналов ИФРНС в городских условиях выше доступности сигналов спутниковых РНС. В 1993 г. Минтранс РФ продолжил работы по созданию РСДУ на Владимирском радиозаводе, в результате чего КБ Владимирского радиозавода разработало РСДУ "Луч". В 1995 г. в С.-Петербурге сотрудниками РИРВ была введена в строй РСДУ "Дозор" для мониторинга передвижных ремонтных мастерских городской службы "Водоканал". В этот же период времени в различных городах России стали появляться малые предприятия, деятельность которых заключалась в адаптацию зарубежной и отечественной аппаратуры для создания РСДУ различного типа (ПРИН, "Комбеллга" (Москва), "Навигация-Cервис", "Сателлит-СПб" (С.-Петербург) и др.), а также дилеры различных зарубежных фирм (“Автоимпорт” (Москва), ”Сименс” (С.-Петербург) и др.). В настоящее время в странах СНГ существует около 50 предприятий такого рода. Таким образом, процесс освоения ТИУРЭС в России с 1993 г. развивается в трех направлениях: 1) разработка собственных проектов ТИУРЭС; 2) адаптация зарубежной и отечественной аппаратуры ТИУРЭС для создания РСДУ;

20

3) внедрение зарубежных ТИУРЭС в дорожно-транспортные комплексы России. По инициативе проф. Пащенко Е. Г. и при содействии директора РИРВ Ю. Г. Гужвы в 1997-98 гг. была организована, а в 1998-99 учебном году – начата подготовка специалистов по ТИУРЭС на факультете радиоэлектроники Северо-Западного заочного политехнического института (ныне – технического университета, С.-Петербург). 6. Международное сотрудничество в области ТИУРЭС [36, 46] Таким образом, развитие ТИУРЭС за рубежом в последние 15 лет привело к формированию трех центров управления процессом создания индустрии технических средств транспортных информационно-управляющих систем (ТИУС) XXI века: в Зап. Европе – под руководством организации ERTICO, в Сев. Америке (США + Канада) – под руководством ассоциации "ITS America" и в Японии – под руководством общества VERTIS. Эти учреждения объединяют представителей промышленности, науки и правительственных (межправительственных) органов и финансируются как частным сектором экономики, так и госбюджетом. В странах, объединенных указанными центрами, начиная с 1982 г. идет неуклонное наращивание количества эксплуатируемых РСДУ: в 1986-92 гг. – на 20% в год, а начиная с 1993 г. – на 50 % в год. По состоянию на конец 1999 г. в этих странах насчитывалось около 3000 действующих РСДУ различных типов и назначения, а бортовыми комплексами автономной сухопутной навигации (БКСН) было оборудовано свыше трех миллионов автомобилей (см. диаграмму). В настоящее время в США и в Зап. Европе имеется свыше 100 фирм, действующих на мировом рынке ТИУРЭС. Около 40% фирм являются производителями-поставщиками или интеграторами-поставщиками различных систем ТИУРЭС и (или) их компонентов, 30% – поставщиками различных услуг ТИУС, 20% – дилерами различных фирм-производителей, 10% – интеграторами ТИУРЭС. Рынок ТИУРЭС сегментируется следующим образом: • около 40% составляют системы мониторинга НТС, основанные на наземных средствах сухопутной подвижной радиосвязи (СПР), в основном – на сотовых сетях СПР; • 25% – РСДУ основаны на наземных системах СПР; • 13% – радиосистемы дистанционной охраны НТС; • 12% – РСОМ, использующие WAP; • 6% – РСОМ на основе спутниковых систем СПР; • 2% – РСДУ, использующие WAP; • 2% – РСДУ на основе спутниковых систем СПР.

21

10

1

0,1

2000

1990

Динамика мирового развития ТИУРЭС: 1 – количество установленных на автомобилях БКСН (млн.); 2 – количество введенных в эксплуатацию РСДУ (тыс.); 3 – стоимость БРЭК РСДУ на основе ИФРНС (тыс. дол. США); 4 – стоимость БРЭК РСДУ на основе GPS (тыс. дол. США).

Около 60% фирм предлагают различные системы РСОМ, 30% – РСДУ и 10% – радиосистемы дистанционной охраны, в том числе – поиска угнанных автомобилей. При этом 80% систем РСОМ и РСДУ основаны на наземных средствах СПР (в подавляющем большинстве – сотовых системах и сетях радиосвязи), а около 20% РСОМ используют мобильные службы сети Internet (WAP). “Старейшими” из ТИУРЭС-фирм являются американские фирмы “Trimble Navigation” (РСДУ и РСОМ на основе наземных систем СПР) и Qualcomm (РСДУ OmniTrack, основанная на спутниковой СПР).

22

Организации ERTICO, "ITS America" и VERTIS содействуют созданию в своих регионах единых иерархических компьютеризованных радиоэлектронных систем автоматизированного динамического мониторинга или диспетчеризации всех наземных транспортных средств и мобильных объектов, вплоть до контроля передвижения велосипедистов и пешеходов. Это позволит обеспечить бесперебойное всепогодное, комфортное и безопасное передвижение всевозможных грузов, пассажиров и пешеходов по суше, по железным дорогам, по рекам и озерам, по воздуху (на местных авиалиниях) и в прибрежных морских водах. Разработка таких сверхсистем имеет две стороны: • создание координатно-телекоммуникационной инфраструктуры регионов, • развитие массовой индустрии радиоэлектронных средств и электроннокартографического обеспечения пользователей этих сверхсистем. Практическая реализация этих суперпроектов становится возможной в результате завершения третьей (информационной) промышленной революции и вовлечет в сферу своих услуг сотни миллионов транспортных средств и пешеходов. Начало полномасштабной практической реализации этих грандиозных проектов началось в 1998-99 гг. Для координации деятельности по созданию систем ТИУС в мировом масштабе ERTICO – под эгидой Европейских комиссий DG XIII и DG VII, при участии организаций "ITS America" и VERTIS – в конце 1994 г. в Париже провела первый всемирный конгресс по всем проблемам ТИУРЭС, предназначенных для использования на всех видах транспорта и всеми классами пользователей. Конгресс имел характерное название: "На пути к перспективным информационно-управляющим транспортным системам" ("Towards an Intelligent Transport System" [51]). С 1994 г. Всемирный конгресс "World Congress on ITS" проводится ежегодно. В 1996 г. "ITS America" начала выпуск периодического научно-технического журнала "ITS World". В 1990-х гг. Международная организация гражданской авиации (ICAO) разработала перспективную концепцию интегрированной автоматизированной радиоэлектронной системы связи, навигации и наблюдения для систем организации регулярного воздушного движения (CNS/ATM), а также выдвинула принцип организации воздушного движения “Free Flight” (свободный полет с использованием современных средств ITS). В связи с этим ICAO пересмотрела требования к эксплуатационно-техническим характеристикам технических средств УВД и в июне 1997 г. опубликовала проект “Требуемые навигационные характеристики”, который соответствует концепции CNS/ATM. В частности, в этом проекте вводится новый этап полета: инструментальный заход на посадку с наведением в вертикальном канале (IPV), на котором учитывается рельеф

23

местности и местные предметы. Этот этап полета легко реализуется с помощью аппаратуры ITS. В различных странах проводятся экспериментальные работы по освоению технологии ITS на воздушном транспорте. Удалось получить технические решения, позволяющие полностью автоматизировать все процессы управления перемещениями подвижных объектов авиации (в том числе – приаэродромных наземных транспортных средств), включая точный инструментальный заход на посадку, приземление и руление самолетов. Освоение технологии ITS происходит и на водном транспорте. Итак, процесс создания транспортных информационно-управляющих систем XXI века вышел на международный уровень организации, управления, финансирования и обмена информацией. Динамика реализации РСДУ и БКСН в США, в Зап. Европе и в Японии в 1980-98 гг. и ее экстраполяция до 2005 г. представлены графически на приведенной выше диаграмме. На диаграмме показано также изменение стоимости бортового радиоэлектронного комплекса (БРЭК) РСДУ в дол. США. Период 2000-2010 гг. является решающим этапом развития ТИУС в глобальном масштабе, характеризуемым созданием собственного радионавигационного обеспечения Евросоюза (СРНС "Galileo"), модернизацией американской СРНС GPS, реализацией американской национальной архитектуры ТИУС, вводом в эксплуатацию всемирной радиотелефонной системы мобильной связи FPLMTS (IMT-2000), комплексным развитием международного рынка аппаратурных и программных средств ТИУС, повсеместной разработкой цифровой картографической информации. 7. Общие понятия и определения Для однозначного понимания дальнейшего материала определим некоторые основные понятия, относящиеся к ТИУС (см. также Глоссарий). НАВИГАЦИЯ (от лат. navigatio – плыву на судне) – первоначально определялась как теория и практические методы мореплавания. Морская навигация включает способы учета движения морских судов и контроля их местонахождения с помощью навигационного оборудования, приборов, астрономических средств и радионавигационных систем. Позже появились понятия воздушной навигации (аэронавигация) и управления воздушным движением (УВД): совокупность операций на наземных пунктах управления полетами и на борту летательных аппаратов (самолетов, вертолетов и др.) по определению и использованию навигационных элементов (координат, высоты полета, курса, угла сноса, путевого угла, воздушной и путевой скорости и др.) для вождения летательных аппаратов, выдерживания заданных дистанций и интервалов времени между ними на трассах, для захода на посадку, сближения, предупреждения столкновений и т.п.

24

В 1960 г. появилось понятие космической навигации как управление движением космических аппаратов: определение местонахождения космических аппаратов, прогнозирование их движения, управление их ориентацией и стабилизацией, коррекция траектории и т. п. В настоящее время вырабатывается понятие сухопутной навигации, которое предварительно можно определить следующим образом. СУХОПУТНАЯ НАВИГАЦИЯ (СН) – теория и практические методы получения и использования информации о местоположении, скорости и направлении движения наземных транспортных средств (НТС) и подвижных объектов (ПО) для ориентации водителей транспортных средств на местности и в дорожно-транспортной системе (автономная СН), для дистанционного контроля местонахождения и состояния НТС и ПО (мониторинг), для оперативного диспетчерского управления передвижением НТС и ПО (диспетчеризация). МОНИТОРИНГ НАЗЕМНОГО ТРАНСПОРТА – постоянное централизованное дистанционное наблюдение за текущим расположением и состоянием определенных НТС или ПО с целью контроля их движения и оперативного реагирования в случае возникновения непредвиденных обстоятельств или нарушения маршрутного графика движения НТС или ПО. ДИСПЕТЧЕРИЗАЦИЯ НАЗЕМНОГО ТРАНСПОРТА – централизованное дистанционное оперативное (в реальном масштабе времени) управление транспортно-технологическими процессами по перевозке пассажиров и грузов с помощью маршрутных и немаршрутных НТС, по транспортному обеспечению различных пользователей НТС, по согласованию работы отдельных звеньев транспортного комплекса предприятия, района, города, территории с целью обеспечения максимальной технико-экономической эффективности работы транспортного комплекса, ритмичности работы транспортного парка, безопасности пассажиров и водителей НТС, сохранности транспортных средств и перевозимых грузов и т.п. ДИСПЕТЧЕРСКИЙ ЦЕНТР (центр мониторинга) – центр радиоэлектронной системы диспетчеризации (мониторинга), в котором сосредоточивается информация о текущем местоположении и состоянии НТС и ПО, о заявках на транспортные средства, о маршрутах движения наземного транспорта, а также адресно-справочная информация по обслуживаемой ДЦ или ЦМ территории, информация о текущем состоянии навигационно-информационного обеспечения территории и об оперативной ситуации на ее дорожнотранспортной системе и т. д. ТЕЛЕМАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ – современные стационарные электронные системы связи и обмена информацией: телекс (международная сеть двустороннего телеграфирования), телетекс (система обмена текстовой документацией по телефонным сетям общего пользования), телетекст (справочная служба текстовой информации), телефакс (система передачи неподвижных изображений и текстов с использованием коммутируемых сетей связи), видеотекс (система передачи по телефонным каналам буквенно-цифровых, графических и полутоновых неподвижных изображений с выводом их на теле-

25

визионный экран). В Зап. Европе под телематическими системами понимаются также современные РЭС централизованного оперативного управления движением автотранспорта ("Road Transport Telematics"). ИНТЕРФЕЙС – совокупность аппаратурных (технических) и программных средств, обеспечивающих взаимодействие функциональных элементов в современных автоматизированных системах сбора, обработки и передачи информации. РАДИОНАВИГАЦИОННАЯ СИСТЕМА (РНС) – совокупность взаимодействующих бортовых, наземных и космических радиотехнических средств, обеспечивающих данный класс пользователей необходимой навигационной информацией.

26

1. ОСНОВЫ ТРАНСПОРТНЫХ ИНФОРМАЦИОННОУПРАВЛЯЮЩИХ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ Рациональная организация транспортно-технологических процессов подразумевает в общем случае три взаимоувязанных информационно-управляющих контура: I – контур предварительного планирования и послерейсового контроля результатов перевозок (административно-хозяйственное управление транспортным предприятием методами транспортной логистики); II – контур оперативного управления передвижением транспортных средств (диспетчерский контроль и управление = диспетчеризация НТС); III – контур непосредственного управления движением транспортного средства (вождение). Технические средства и соответствующий персонал, обеспечивающие функционирование этих трех видов контуров, в совокупности образуют сложную трехуровневую «человеко-машинную» (эрготехническую) транспортную информационно-управляющую систему (ТИУС), в которую в качестве субъективных элементов включено множество различных специалистов (операторов), взаимодействующих между собой с помощью соответствующих технических средств. Для понимания специфики ТИУС рассмотрим основные понятия теории сложных эрготехнических систем. 1.1.ТИУС как сложная эрготехническая система Под системой понимается целостная совокупность определенным образом взаимодействующих между собой функционально законченных элементов. Эти элементы могут объединяться в более крупные составные части системы, называемые подсистемами. В то же время, данная система может входить как составная часть в более сложную систему, называемую надсистемой. Система обычно взаимодействует или находится под воздействием различных объектов естественного и искусственного происхождения, не входящих в состав системы, но существенно влияющих на функционирование данной системы. Множество этих объектов составляет окружающую обстановку (системную среду). Для обеспечения эффективного функционирования данной технической системы может создаваться совокупность технических средств, которые непосредственно не входят в состав системы, а образуют соответствующую инфрасруктуру системы. Состояние технической системы характеризуется упорядоченной совокупностью значений ее внутренних и внешних параметров, определяющих функционирование (режим работы) системы.

27

Сложность системы определяется не количеством элементов в ней, а рядом специфических свойств, основными из которых для ТИУС являются следующие: • уникальность (нет полных аналогов); • слабая предсказуемость поведения (не-детерминированность); • целенаправленность функционирования (целеполагание задается надсистемой); • целостность (сохранение своих функций при выходе из строя некоторых элементов – за счет избыточности структуры и своевременного обнаружения неисправностей в системе). Всевозможные естественные и искусственные системы классифицируются по различным обобщенным признакам [3]. Транспортные информационно-управляющие системы (ТИУС) относятся к роду гуманистических систем, в которых существенно участие человека как субъективного элемента системы. ТИУС относятся к классу антропотехнических или «человеко-машинных» систем, в которых субъективный элемент системы является ее оператором (непосредственным участником функционирования системы). Антропотехнические системы, в результате функционирования которых происходит целенаправленное изменение состояния материальных и информационных объектов, прежде всего – в пространстве и времени, называются эрготехническими системами (ЭТС). ЭТС делятся на подклассы. Например, автомобиль с водителем за рулем относится к подклассу транспортных ЭТС, в которых оператором является водитель, а результатом функционирования системы – перемещение груза или пассажиров в пространстве за определенное время. ЭТС, в которых производится преобразование и использование информации, относятся к подклассу информационных антропотехнических систем. Информационные ЭТС делятся на три вида: • производящие информацию, • информационно-обеспечивающие, • информационно-управляющие ЭТС. Наконец, информационно-управляющие ЭТС имеют четыре типа. Системы ТИУС относятся к тому типу информационно-управляющих систем, которые предназначены для управления технологическими процессами, в данном случае – транспортно-технологическими (перевозка пассажиров и грузов). Таким образом, ТИУС, вообще говоря, являются гуманистическими эрготехническими (человеко-машинными) системами автоматизированного дистанционного управления транспортно-технологическими процессами перемещения подвижных объектов, в частности – в приземном

28

пространстве: на земле, около поверхности Земли и в прибрежной акватории. Такие системы в полной мере обладают признаками сложных систем: уникальностью, слабой предсказуемостью, целенаправленностью поведения, целостностью. Для эффективного функционирования этих систем существенным является человеческий фактор, то есть эффективная работа человекаоператора. Поэтому при разработке ТИУРЭС следует всемерно учитывать психофизиологические характеристики операторов и показатели выполнения ими различных элементарных операций, предусматривать оптимальные средства взаимодействия оператора с системой («человеко-машинные интерфейсы») и уметь оценивать эффективность разрабатываемой информационно-управляющей человеко-машинной системы. Именно оценка технико-экономической эффективности применения разрабатываемой ТИУС в данном транспортно-технологическом процессе решает вопрос о "праве на жизнь" технических средств этой системы. Если эрготехническая система полностью автоматизирована и компьютеризована, то за человеком-оператором закрепляются только интеллектуально-волевые функции: *контроль работы системы в целом и оценка необходимости вмешательства в ее функционирование; *принятие решения о вмешательстве и выбор варианта команднооперативного воздействия; *выдача в систему задания на осуществление командно-оперативного воздействия. Эффективная работа такой эрготехнической системы обеспечивается соответствующей компьютеризованной информационно-управляющей технической подсистемой, имеющей искусственный интеллект (программно-математическое обеспечение) и эргономически эффективные средства взаимодействия с операторами эрготехнической системы (человеко-машинные интерфейсы). Для ТИУС такой технической подсистемой является современная транспортная информационно-управляющая РЭС (ТИУРЭС). Таким образом, системы ТИУРЭС являются сложными информационно-управляющими подсистемами ТИУС, обеспечивающими эффективную работу транспортно-технологических эрготехнических систем и находящимися в тесном взаимодействии с водителями НТС и с радиооператорами грузопассажирских перевозок. Для наглядного представления и общего анализа больших и сложных систем разрабатываются специальные структурные и функциональные схемы и их подробные описания, называемые архитектурой системы. На рис.1.1 представлена обобщенная архитектура современной информационно-управляющей системы.

29

И н ф ор м а ц и он н о -уп р а в л я ю щ а я н а д си ст ем а

П од си ст операт. реагир. при Ч С

У п р а в л яю щ а я п од си ст е м а

Банк данны х

О рган кон троля и о п е р а т . уп р .

П од си стем а п еред а ч и и н ф орм а ц и и

У правляем ая

п од си ст ем а

У ст р ой ст в о п е р е д а ч и д а н н ы х

У стр. сб ора и н ф орм ац и и

Ч ув ств и т. элем ен ты

О ператор

Д атч и ки состоян и я

Э лем ен ты уп ра в лен и я

И сп олн и т. элем ен ты

О б ъ е к т у п р а в л е н и я

О к р уж а ю щ а я о б ст а н о в к а (ср ед а ) Рис. 1. 1. Обобщенная архитектура информационно-управляющей системы: I – контур стратегического управления; II – контур тактического управления; III – контур динамического управления.

30

Центральным звеном этой архитектуры является оперативная информационно-управляющая система (ОИУС), состоящая из управляющей подсистемы и управляемой подсистемы, которые объединены в целостную систему подсистемой передачи информации. ОИУС осуществляет контроль функционирования и оперативное (в реальном масштабе времени) управление действиями объектов управления. Для своевременного принятия необходимых мер в случае возникновения “нештатной” или чрезвычайной ситуации в системе имеется подсистема оперативного реагирования. Цели оперативного управления ОИУС задаются информационноуправляющей надсистемой, в которой имеется орган тактического управления. ОИУС вырабатывает и решает конкретные задачи управления с учетом регулярного (прогнозируемого) и случайного изменения окружающей объекты управления обстановки. Долгосрочным планированием деятельности ОИУС и выработкой стратегии управления объектами занимается орган стратегического управления. В конечном счете, управление ОИУС направлено на объекты управления, которые непосредственно осуществляют заданные технологические процессы в конкретной окружающей обстановке (среде). Для обеспечения управляемости объекты управления оснащаются датчиками состояния (определяют численные значения переменных состояния объектов), чувствительными элементами (измеряют значения наблюдаемых переменных параметров окружающей среды) и исполнительными элементами (реализуют управляющие воздействия). Эти элементы информационно замыкаются на решающий элемент управляемой подсистемы и включаются в III контур – динамического управления объектами. Обычно ОИУС управляет определенным множеством объектов с помощью соответствующего количества управляемых подсистем. В то же время, информационно-управляющая надсистема может управлять несколькими ОИУС – и т. д. Информационное взаимодействие внутри ОИУС формирует II контур – оперативного управления объектами. Взаимодействие ОИУС со своей надсистемой образует I контур – тактического управления объектами. Аналогично образуется контур стратегического управления. Совокупность перечисленных выше систем образует сверхсистему, функционирование которой обеспечивается эффективным информационным взаимодействием всех ее элементов на всех уровнях ее архитектуры. Это достигается путем правильного построения иерархии информационно-управляющих систем разного уровня, а также соответствующей организацией потоков информации в сверхсистеме: ограничение непосредственного взаимодействия систем одного уровня и обобщение информации в потоках, идущих “снизу – вверх”. Эффективное функционирование ТИУС как сложной оперативной информационно-управляющей сверхсистемы достигается за счет того, что пространственно-временные масштабы функционирования систем разных уровней су-

31

щественно отличаются. Например, в городских и областных ТИУС масштабы деятельности тактических (логистических) информационно-управляющих надсистем составляют десятки-сотни километров и дни-недели-месяцы; систем оперативного управления (диспетчеризации) – единицы-десятки километров и минуты-часы; динамических систем управления (вождения) – десятки-сотни метров и десятые доли-единицы секунд. Далее. Элементы сверхсистемы, обеспечивающие взаимодействие входящих в нее систем соседних уровней иерархии, должны обрабатывать информационные сообщения, идущие “снизу вверх” и “сверху вниз” в соответствии с определенными в сверхсистеме приоритетами. Поэтому в каждой подсистеме должны быть предусмотрены соответствующие элементы сбора и обработки информации, преобразования и хранения информации (банки данных), а также оптимальным образом спроектированные интерфейсы: «машино-машинные» и «человеко-машинные». 1.2. Общая структура информационно-управляющих систем наземного транспорта Информационно-управляющие системы наземного транспорта, разворачиваемые на данной территории (района, города, области, региона), предназначены для обеспечения максимальной эффективности, безопасности, надежности, управляемости и бесперебойности движения всех участников, включенных в дорожно-транспортные потоки на этой территории. Примером архитектуры сверхсистем контроля состояния и управления функционированием дорожно-транспортных комплексов является архитектура ТИУС США (ITS National Systems Architecture), разработанная в 1996 г. обществом “ITS America”. Системная архитектура ТИУС определяет общую структуру конкретных систем, основанную на их назначении и на требованиях пользователей этих систем к качеству предоставляемых транспортных услуг. Архитектура унифицирует: • разделение системы на подсистемы; • функциональное назначение систем; • виды сообщений, которыми должны обмениваться подсистемы, системы и надсистемы. Архитектура дает основу для разработки национальных стандартов и протоколов обмена информацией между подсистемами. Архитектура ТИУС исходит из типовых функций, которые эти системы должны обеспечивать [45]. Определено 29 типовых функций, которые разделены на шесть групп. I.Информационное обеспечение пассажиров и путешественников и управление дорожно-транспортным движением. 1. Информационное обеспечение водителей НТС в пути. 2. Проводка путешественников по выбранному ими маршруту.

32

3. Информирование об обслуживании путешественников на пути их следования. 4. Управление дорожным движением. 5. Управление дорожным движением при чрезвычайных ситуациях. 6. Проверка и проведение мероприятий по уменьшению загазованности в местах скопления транспорта. 7. Управление удовлетворением транспортных потребностей населения. 8. Предварительное информирование путешественников и пассажиров о транспорте. 9. Согласование пересадок и бронирование билетов. 1. 2. 3. 4.

II.Обеспечение функционирования общественного транспорта. Управление движением общественного транспорта. Информационное обеспечение транзитных маршрутов. Удовлетворение требований в групповых транзитных перевозках. Обеспечение безопасности массовых путешествий.

III.Обеспечение работы торгового транспорта. 1. Электронный контроль и растаможивание торговых транспортных средств “на ходу”. 2. Автоматизированный придорожный контроль безопасности торговых НТС. 3. Бортовой контроль безопасности НТС. 4. Административный контроль торгового транспорта. 5. Реагирование на дорожно-транспортные происшествия с НТС, перевозящих опасные грузы. 6. Отслеживание изменчивости стоимости грузоперевозок. IV.Электронный сбор платежей. V.Управление действиями в чрезвычайных ситуациях. 1. Выявление и уведомление о ЧС и обеспечение индивидуальной безопасности. 2. Управление движением НТС при возникновении ЧС.

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

VI.Электронные системы вождения и обеспечения безопасности НТС. Уклонения НТС от продольных столкновений. Уклонения НТС от поперечных столкновений. Предотвращения столкновений на перекрестках. Повышения видимости для предотвращения ДТП. Предупреждения водителей об опасностях при вождении НТС. Уменьшения последствий ДТП. Автоматизации вождения НТС.

33

Впоследствии была добавлена тридцатая служба: обеспечение безопасности пересечения железнодорожных путей. Исходя из этих типовых функций ТИУС разработана физическая архитектура ТИУС, логическая архитектура и их взаимосвязь. На рис.1.2 представлены подсистемы физической архитектуры, которые сгруппированы в четыре класса: - Информационные подсистемы пассажиров и путешественников; - Подсистемы центров дистанционного контроля и управления; - Придорожные подсистемы; - Подсистемы транспортных средств. Эти подсистемы взаимосвязаны между собой подсистемами проводной и радиосвязи. Подсистемы радиосвязи могут быть трех видов: -территориальные системы сухопутной подвижной радиосвязи; -подсистемы радиосвязи короткодействующие (придорожные радиомаячки, транспондеры НТС и т. п.); -подсистемы радиосвязи «НТС-НТС». На рис. 1. 2 обозначено: 01 – подсистемы дистанционного информационного обеспечения путешественников и пассажиров; 02 – подсистемы индивидуального доступа к информации; 11 – центры оперативного управления дорожным движением; 12 – центры административного управления дорожными сборами; 13 – центры оперативного управления транзитными перевозками; 21 – центры поставщиков информационных услуг; 22 – центры оперативного управления уровнем загазованности; 23 – центры планирования дорожного движения; 31 – центры оперативного управления в чрезвычайных ситуациях; 32 – центры оперативного управления грузопассажирскими перевозками и парками НТС; 33 – центры административного управления торговым транспортом; 41 – подсистемы обслуживания проезжей части дорог; 42 – подсистемы сбора пошлин; 43 – подсистемы управления парковкой; 44 – подсистемы проверки торговых НТС; 51 – основные НТС; 52 – транзитные НТС; 53 – торговые НТС; 54 – аварийные НТС; ТСС – территориальные системы связи; ПСС ТС/ТС – перспективные системы связи НТС-НТС; КДСРС – короткодействующие системы радиосвязи.

34

Информационные подсистемы Подсистемы центров пассажиров и дистанционного контроля и управления путешественников

01

11

12

13

02

21

22

23

31

32

33

Т

П С С

С

Автономные системы радиосвязи

С

К

51

41

Д

52 Т С / Т С

42 С

53

43

Р

54

Подсистемы НТС (БРЭК)

44

С

Придорожные подсистемы

Рис. 1. 2. Подсистемы физической архитектуры ТИУС

35

Логическая архитектура определяет функции подсистем и виды сообщений, которыми они обмениваются. Фрагмент верхнего уровня логической архитектуры показан на рис. 1. 3.

Службы водителей и путешественников

Службы по чрезвычайным ситуациям

E 911 Управление транзитными НТС

Планирование и приведение в действие служб ITS

Плановые службы ITS

Управление дорожным движением

Дорожное движение

Рис.1.3. Упрощенная структура верхнего уровня логической архитектуры ТИУС: 1 – запрос платежей; 2 – платежи; 3 – транзитные графики; 4 – заявки транзитных НТС; 5 – информация о дорожном движении; 6 – заявки транзитных НТС; 7 – требования по приоритетам; 8 – данные по чрезвычайным ситуациям; 9 – извещения о чрезвычайных ситуациях; 10 – информация по действиям в чрезвычайной ситуации;11 – информация о маршрутах движения; 12 – информация о перегруженности и заторах. В настоящем пособии рассматриваются ТИУС, в которых существенную роль играют радионавигационные системы их координатного обеспечения, территориальные системы сухопутной подвижной радиосвязи и электроннокартографические человеко-машинные интерфейсы. В соответствии с физической архитектурой ТИУС последние должны включать в свой состав центры оперативного управления перевозками грузов и пассажиров, радиоканалы передачи речевой информации и цифровых данных, бортовые радиоэлектронные комплексы основных НТС.

36

1.2. Общая структура информационно-управляющих систем наземного транспорта Информационно-управляющие системы наземного транспорта, разворачиваемые на данной территории (района, города, области, региона), предназначены для обеспечения максимальной безопасности, надежности, управляемости и бесперебойности движения всех участников, включенных в дорожнотранспортные потоки на этой территории Обобщенная структурная схема ТИУС представлена на рис. 1. 4.

Рис.1.4. Общая структура транспортной информационно-управляющей системы На рис. 1. 4 обозначено: В – водитель НТС; ЦДКУ – центр дистанционного контроля и управления (диспетчерский центр); РО – радиооператор; ТО – телефонный оператор; АТП – автотранспортное предприятие; ГАТС – городская автоматическая телефонная сеть; ТЛФ – телефонный аппарат. Здесь имеются два взаимоувязанных контура оперативного и динамического управления (II и III) и один (I) – административного (связь с административно-хозяйственным управлением АТП). В III контуре: НТС физически взаимодействует с автодорожной обстановкой, а результат взаимодействия переда-

37

ется водителю через органы индикации и управления, а также воспринимаетсяводителем НТС органами чувств: зрением, слухом, осязанием, обонянием и др. Водитель, кроме того, непрерывно оценивает (в основном – аудиовизуально) автодорожную обстановку в целом, принимает решения по управлению движением НТС и самостоятельно исполняет их с помощью органов управления НТС. Это – вождение НТС, то есть операторно-техническая стереотипная деятельность водителя, эффективность которой существенно повышается бортовыми радиоэлектронными устройствами VI группы, охватываемыми общим понятием "автоэлектроника". В состав автоэлектроники входят, в частности, блок регистрации маршрутных данных (БРМД – “черный ящик”) и система мониторинга (контроля состояния) агрегатов автомобиля и самого водителя. В то же время, определение задач и реализация маршрутов передвижения НТС включены во II контур управления: бортовой радиоэлектронный комплекс–радиоэлектронный комплекс ЦДКУ–РО–В–НТС. Именно эффективную работу II контура обеспечивают ТИУРЭС. При этом в системах сухопутной навигации II контур полностью замыкается на водителя, который сам определяет цели передвижения и маршруты следования НТС; в системах мониторинга воздействие радиооператора (диспетчера) на водителя либо разнесено во времени (маршрутное задание – послерейсовый контроль), либо осуществляется с помощью другой подсистемы (дистанционно управляемые дорожные знаки, служба "Авторадио", дорожно-патрульная служба и т. п.). В системах диспетчеризации управление передвижением парка НТС производится в реальном масштабе времени (оперативное дистанционное управление). При разработке ТИУРЭС следует учитывать и то, что ТИУС, в которые ТИУРЭС входят как подсистемы, обладают всеми основными свойствами сложных систем [12]. Во-первых, эти системы – уникальны, то есть создаются по индивидуальному проекту, функционируют в определенной автодорожной обстановке и выполняют конкретные транспортно-технологические операции. Во-вторых, функционирование этих систем обладает целенаправленностью, то есть оно направлено на достижение оперативно задаваемых целей (перевозка пассажиров или определенных грузов между конкретными пунктами с максимальной надежностью, безопасностью, регулярностью, эффективностью). В-третьих, их детальное поведение слабо предсказуемо в условиях непредвиденного изменения окружающей дорожно-транспортной обстановки. В-четвертых, они относительно автономны, то есть в допустимых пределах изменения окружающей обстановки их поведение определяется только внутренними свойствами ТИУС. Наконец, эти системы обладают целостностью, то есть сохраняют функциональные свойства при выходе из строя части элементов (например, авария НТС, нападение на водителя НТС и т. п.).

38

Таким образом, в самом общем виде ТИУРЭС является подсистемой эрготехнической системы управления грузопассажирскими перевозками (II контур на рис.1.4), обеспечивает централизованное дистанционное управление передвижением определенного парка НТС и состоит из двух основных сегментов: парка бортовых радиоэлектронных комплексов (БРЭК), взаимодействующих с водителями НТС, и радиоэлектронного комплекса ЦДКУ (РЭК ЦДКУ), взаимодействующего с радиооператором ТИУРЭС – диспетчером грузопассажирских перевозок. Поэтому можно сделать первое приближение в системотехническом проектировании ТИУРЭС, раскрыв общую структуру и определив функциональное назначение основных элементов подсистемы БРЭК и РЭК ЦДКУ (см. подразд. 1. 3). С радиотехнической точки зрения следует выделить три характерных вида ТИУРЭС, различающихся видами радиосвязи между НТС и информационным центром или центром дистанционного контроля и управления системы: *Автоматизированные системы (бортовые комплексы) сухопутной навигации (БКCH: Automated Vehicle Location Systems = AVLS), в которых радиосвязь либо вовсе не используется, либо водитель использует радиовещательную информацию от службы автодорожного движения "Авторадио" (Advanced Mobile Information System = AMIS). К этому же виду можно отнести бортовые регистраторы маршрутных данных (БРМД) устройства типа “черный ящик”; *Радиотехнические системы дистанционной охраны и мониторинга НТС (РСОМ: Automated Vehicle Monitoring Systems = AVMS), использующие одностороннюю цифровую радиосвязь, с помощью которой информация о местоположении НТС и их состоянии автоматически передается на центр дистанционного контроля системы мониторинга; *Радиоэлектронные системы диспетчерского управления (РСДУ: Fleet Management Systems = FMS), в которых для централизованного дистанционного оперативного управления движением (диспетчеризации) определенного парка НТС используется двусторонняя речевая и цифровая радиосвязь. Поскольку системы РСДУ являются наиболее общим и сложным видом ТИУРЭС, в дальнейшем рассматриваются в основном радиосистемы диспетчерского управления передвижением наземных транспортных средств. 1.3. Обобщенная структура ТИУРЭС В основе построения трех выделенных выше видов ТИУРЭС лежат три основных технических средства: средства отображения для операторов ТИУС местности и НТС на ней, средства непрерывного автоматического местоопределения НТС и средства радиосвязи НТС с центром диспетчеризации или мониторинга.

39

Объектами управления в РСДУ являются наземные транспортные средства (например – ограниченный парк автомобилей), а исполнительными элементами – водители НТС. Бортовой радиоэлектронный комплекс (БРЭК) автомобиля содержит (см. рис. 1. 5): - датчик местоположения (ДМП) НТС; - датчики дополнительной информации (ДДИ): счисления пройденного НТС пути, состояния агрегатов и водителя НТС, показания устройств охранной сигнализации и т. п.; - мобильную станцию подвижной радиосвязи (МСРС) или радиомодем; - приемник службы "Авторадио"; - средства отображения информации для водителя НТС: дисплей и синтезатор/анализатор речевой информации; - микро-ЭВМ с пультом водителя (ПВ), оснащенную электронно-картографическим (ЭКО) и программно-математическим (ПМО) обеспечением. Аппаратура центра диспетчеризации и (или) мониторинга (ДЦ/ЦМ) – центра дистанционного контроля и управления – включает в свой состав (рис.1.5): - контрольный датчик местоположения (КДМП); - стационарную станцию сухопутной подвижной радиосвязи (Ст.РСТ СПР) и устройство сопряжения ее с персональным компьютером; - контрольный приемник службы "Авторадио"; - средства отображения информации; - персональный компьютер радиооператора (ПКРО); - персональный компьютер телефонного оператора (ПКТО); - аппаратуру проводной связи (телефон, телефакс, электронная почта, Internet и т. п.) с ГАТС и c планово-диспетчерским отделом автотранспортного предприятия; - средства хранения и поддержания необходимой информационносправочной базы данных (БД) – сервер БД. Для обеспечения эффективной работы РСДУ на данной территории создается или используется территориальная система связи (ТСС) и организуется определенная инфраструктура, включающая в себя: - технические средства создания или поддержания на данной территории радионавигационного поля, то есть подсистему координатного обеспечения сухопутной навигации; - средства информирования водителей НТС о состоянии территориального дорожно-транспортного комплекса (службу "Авторадио"); - систему дистанционного централизованного управления дорожным движением и обеспечения действиями в чрезвычайных ситуациях (пример – американская служба "Mayday");

40

- придорожную телематическую систему оперативного сбора автодорожной информации и локального информирования всех участников дорожного движения (в простейшем случае – автоматические или дистанционно управляемые светофоры и электронные дорожные знаки).

Рис. 1. 5. Общая структура радиосистемы диспетчерского управления передвижением НТС

41

Некоторые эксплуатационно-технические требования, предъявляемые к РСДУ, приведены в табл.1.1. Следует обратить внимание на то, что целостность РСДУ оценивается в минутах: это – промежуток времени от момента выхода из строя какого-либо элемента системы ТИУС (например, дорожно-транспортное происшествие с одним из НТС) до момента донесения информации об этом и инструкций о дальнейших действиях всем заинтересованным участникам транспортно-технологического процесса. Таблица 1.1 Ориентировочные эксплуатационно-технические требования пользователей радиосистем диспетчерского управления наземным транспортом Характеристика Точность местоопределения, м Дальность действия системы диспетчеризации, км Вид радиосвязи с ЦДКУ Допустимый интервал между сеансами связи, мин Надежность местоопределения Целостность, мин

Условия эксплуатации транспортного средства Проводка Городские МеждуМалоНТС улицы городные населенная по центру автотрассы местность города

3-15

10-50

20-100

100-500

5-15

10-100

100-500

300-1500

УКВрадиальная УКВ-сотовая

УКВрадиальная УКВ-сотовая

Транкинговая Спутниковая

Спутниковая

0,1-1,0

0,5-3

5-30

30-300

0,95

0,95

0,90

0,85

1-2

3-5

10-30

менее 1

В целом систему ТИУРЭС можно подразделить на три основные подсистемы. Подсистема навигационного обеспечения ТИУРЭС – включает в себя подсистему координатного обеспечения, ДМП, датчики счисления пути и КДМП. Подсистема телекоммуникационного обеспечения – состоит из ТСС, ГАТС, радиомодемов БРЭК, радиостанции Ст.РТС с устройством сопряжения и аппаратуры проводной связи ЦДКУ. Программно-математическое и электронно-картографическое обеспечение ТИУРЭС, включенное в программное обеспечение микро-ЭВМ БРЭК и персональных компьютеров ЦДКУ, позволяет комплексно автоматизировать функционирование ТИУС. В качестве человеко-машинных интерфейсов в ТИУРЭС используются дисплеи и пульты водителя, синтезаторы / анализаторы речи БРЭК, громкого-

42

ворители приемника "Авторадио" и МСРС, микрофоны МСРС, мониторы ПКРО и ПКТО, микрофоны и громкоговорители аппаратуры проводной связи ЦДКУ и радиостанции Ст.РСТ. На рис.1.6 приведена расширенная типовая структура аппаратуры городской системы РСДУ (полного состава). На рис.1.6 по порядку номеров обозначено: 1 – портативный принтер; 2 – контроллер принтера; 3 – бортовой дисплей; 4 – блок регистрации маршрутных данных (БРМД –“черный ящик”) НТС; 5 – датчики охранной сигнализации; 6 – радионавигационный приемоизмеритель; 7 – датчики счисления пути; 8 – мобильная аппаратура системы СПР; 9 – система мониторинга агрегатов НТС; 10 – синтезатор-анализатор речи; 11 – контрольный приемоизмеритель РНС или контрольно-корректирующая станция; 12 – аппаратура передачи данных; 13 – стационарная аппаратура системы СПР; 14 – настенный дисплей диспетчерского центра; 15 – контрольный компьютер; 16 – выносные мониторы; 17 – дисплей радиооператора; 18 – принтер; 19 – рабочие станции главной ЭВМ; 20 – сканер. 21 – радиосигналы системы координатно-временного обеспечения (региональной или глобальной РНС). Ядром БРЭК является бортовой компьютер НТС. К нему подключены: дисплей 3 – для визуального представления информации водителю НТС, синтезатор-анализатор речи 10 – для обмена речевыми сообщениями между водителем НТС и радиооператором диспетчерского центра (ДЦ), бортовая аппаратура системы СПР 8 – для цифровой и речевой радиосвязи БРЭК и аппаратуры ДЦ. На бортовой компьютер НТС поступает информация от датчиков охранной сигнализации 5, от радионавигационного приемоизмерителя 6, от датчиков счисления пути 7 и от системы мониторинга агрегатов 9 НТС. Данные, имеющиеся в бортовом компьютере, автоматически регулярно записываются в блоке регистрации маршрутных данных 4 и могут, по желанию водителя НТС, распечатываться на портативном принтере 1 через контроллер принтера 2. Ядром аппаратуры ДЦ является главная ЭВМ диспетчерского центра, которая соединена: с дисплеем оператора 17, со стационарной аппаратурой системы СПР 13, с аппаратурой передачи данных 12 – для обмена цифровой информацией ДЦ с административно-хозяйственным управлением автотранспортного предприятия (логистическим центром), с настенным дисплеем 14 диспет-

43

черского центра, с контрольным компьютером 15, с системой выносных мониторов 16.

21 Борт овой радиоэлектронный к омплек с 1 5 4 3 2 Борт овой к омпьют ер НТС

10

9

8

7

6

Террит ориальная сист ема р/связи

Г А Т С

11 Т

13

12

14

15

Главная ЭВМ диспетчерского центра

Т

ДЦ 16

18

17

19

20

Рис. 1. 6. Типовая структура радиоэлектронной аппаратуры РСДУ: ГАТС – городская автоматическая телефонная сеть; Т – телефон городской телефонной сети; ДЦ – диспетчерский центр.

44

В главную ЭВМ поступает информация от контрольного приемоизмерителя (контрольно-корректирующей станции) 11 – для определения текущих дифференциальных поправок РНС, от сканера 20 – через рабочие станции 19, а также из ГАТС (заказы на автоперевозки) – через цифровые и (или) аналоговые телефонные аппараты Т. Необходимые оперативные данные могут быть распечатаны на принтере 18. К аппаратуре БРЭК могут также подключаться датчики охранной сигнализации НТС, средства дистанционного активного воздействия на злоумышленников, захвативших НТС, базовые станции систем предотвращения угона автомобилей (иммобилайзеров). Охранные системы автомобилей делятся на два класса: ∗ охранная сигнализация, то есть устройства, оповещающие владельца или свидетелей о покушении на автомобиль; ∗ противоугонные устройства (иммобилайзеры), которые препятствуют угону автомобиля своим ходом. Современные системы охранной сигнализации (СОС второго поколения) используют последние достижения радиоэлектроники, в том числе конверсионной. В современных СОС используются следующие виды датчиков охраны автомобиля: - индукционные и емкостные (реагируют на прикосновение к автомобилю); - механические и электрические (герконовые) контактные; - пьезоэлектрические контактные; - ударные пьезоэлектрические (вибраций); - качания (против буксировки или поддомкрачивания); - нарушения объема салона (ультрасоники = сонары); - передвижений в салоне (радар-сенсоры); - падения напряжения в бортовой электросети; - скрипа (звуки отворачивания гайки, скольжения металла по стеклу и др.). Современные НТС оборудуются противоугонными устройствами заводомизготовителем. Дополнительно используются также сертифицированные средства активного воздействия на злоумышленника: - источники электрошока с напряжением 40 кВ; - пиропатроны со слезоточивым газом; - внутренние ультразвуковые или инфразвуковые электросирены (при интенсивности звука в 150 дБ возникает сильная, но еще не опасная для здоровья боль в ушах); - дымовые шашки. Радиоэлектронные иммобилайзеры состоят из базовой станции, устанавливаемой на НТС, и транспондера, находящегося у водителя. Если водитель покидает автомобиль, то при срабатывании датчиков охранной сигнализации или других датчиков автомобиля базовая станция посылает запрос на транспондер и (или) в ЦДКУ. Транспондер информирует водителя о чрезвычайном происше-

45

ствии и по инициативе водителя (а в РСДУ – радиооператора ЦДКУ) вырабатывает команды для базовой станции на выключение зажигания, блокировки дверей и рулевого управления, торможения и т. п. Системотехническое проектирование таких сложных систем, как ТИУРЭС, существенно отличается от обычного (схемотехнического, конструкторского) проектирования традиционной радиоаппаратуры своей неформализуемостью, итеративностью (последовательными приближениями к решению задачи), перемежением декомпозиции (способа расчленения системы на компоненты без потери свойств системы в целом) и композиции (способа объединения компонентов в систему без потери свойств компонентов), многокритериальностью. Поэтому каждая итерация процесса разработки ТИУРЭС должна содержать следующие этапы: 1. Определение (уточнение) назначения системы. 2. Определение (уточнение) условий ее работы в конкретной дорожнотранспортной обстановке. 3. Определение (уточнение) основных функций (режимов работы), выполняемых системой в типовых транспортно-технологических операциях. 4. Определение (уточнение) показателей качества и критериев эффективности функционирования системы в различных режимах. 5. Разработка (уточнение) структурной схемы системы – декомпозиция системы. 6. Разработка (уточнение) функциональной схемы системы – композиция системы. 7. Разработка (уточнение) описания режимов работы системы. 8. Согласование пп.5, 6, 7 и разработка (уточнение) проекта системы. 9. Оценка эксплуатационной эффективности функционирования спроектированной системы с возможным возвращением к пп.1 – 8. 10. Оценка технико-экономической эффективности применения спроектированной системы в типовых операциях с возможным возвращением к пп.1–8. 11. Разработка (уточнение) комплексного проекта системы, включающего средства и способы ее создания, проведения испытаний, ввода в действие и дальнейшей эксплуатации и совершенствования системы. Как видим, процесс системотехнического проектирования ТИУРЭС в идеальном случае не предусматривает организации производства отдельных компонентов системы, а ориентируется на наличие на рынках радиоэлектроники десятков и даже сотен моделей готовых устройств и блоков разрабатываемой системы. Такой системный подход характерен для создания современных сложных систем: распределенные компьютерные сети, сотовые, транкинговые и пейджинговые системы радиосвязи и т. п. Радиоинженер, в таком случае, является проект-менеджером и должен владеть методологией современной научно-практической дисциплины "Project Management" (проект-менеджмент).

46

В проект-менеджменте под техническим проектом понимается система сформулированных в рамках проекта целей, создаваемых или приобретаемых для их достижения технических изделий, технической и организационной документации для реализации проекта, необходимых материальных, финансовых, трудовых, информационных и иных ресурсов, а также соответствующих управленческих решений и мероприятий по их выполнению. Управлением реализацией данного проекта ТИУРЭС непосредственно занимается команда менеджеров проекта. Разработку и реализацию небольших ТИУРЭС может осуществить группа высококвалифицированных специалистов – команда управления проектом ТИУРЭС. Команда управления проектом малой системы РСОМ или РСДУ должна включать в свой состав: * проект-менеджера, являющегося специалистом по проект-менеджменту в области ТИУРЭС, * менеджера по навигационному обеспечению сухопутных подвижных объектов (специалист по радиосистемам дальней и глобальной навигации и средствам счисления пути), * менеджера по современным системам сухопутной подвижной радиосвязи и передачи цифровой информации, * менеджера по цифровым устройствам и интерфейсам обмена информацией, * системного программиста, * прикладного программиста, * радиоинженера-разработчика, * инженера-экономиста (бизнес-менеджера). Состав этой команды проекта ТИУРЭС должен сохраняться в течение всего жизненного цикла проекта – от разработки концепции и технико-экономического обоснования проекта до проведения предварительных и приемосдаточных испытаний ТИУРЭС и закрытия контрактов. Именно эта команда должна на начальном этапе разработки проекта точно определить общую структуру системы и ее основные эксплуатационно-технические характеристики, которые и будут проходить фактическую проверку во время приемо-сдаточных испытаний системы или ее сертификации (аттестации). Для информационного обеспечения проекта могут использоваться разнообразные источники информации: рекламные проспекты и прайс-листы; периодические издания, в том числе журналы "GPS World", "ITS World", "Galileo's World", "Map Info Systems", GIM (International Journal of Geomatics), "ГИС Обозрение" и др.; патентные и научно-технические библиотеки; служба "World Wide Web" (WWW или Web) системы "Internet" и т. п.

47

Контрольные вопросы 1. Основные понятия сложных эрготехнических систем. Архитектура системы. 2. Физическая и логическая архитектура транспортных информационноуправляющих систем (ТИУС). 3. Общая структура ТИУС и ее характеристики. 4. Обобщенная структура ТИУРЭС и РСДУ; назначение и функционирование их составных частей. 5. Особенности системотехнического проектирования ТИУРЭС и команда управления проектом.

48

3. СИСТЕМЫ СУХОПУТНОЙ ПОДВИЖНОЙ РАДИОСВЯЗИ. СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ РАДИОСВЯЗИ В ТИУРЭС. 3.1. Общие сведения о сухопутной подвижной радиосвязи (СПР) [7, 10] Поскольку околоземное пространство представляет собой общемировой "радиоэфир", то его использование достаточно строго регламентируется на международном уровне. Существует Международный комитет по радиочастотам (МКРЧ) и Международный Регламент радиосвязи (последняя редакция Регламента – 2000 г.). Согласно Регламенту радиосвязи все радиочастоты делятся на 12 диапазонов по формуле (0,3-3) × 10N (Гц). Для СПР используются диапазоны от N = 8 до N = 10, то есть от 30 МГц до 3 ГГц. Эти диапазоны делятся на поддиапазоны, которые характеризуются значением частоты, округленно соответствующим середине отведенной для СПР полосы радиочастот – присвоенной частоты: fпр = 40 МГц ==> 33-48,5 и 57-57,5 МГц; 80 МГц ==> 68-88 МГц; 160 МГц ==> 146-174 МГц; 330 МГц ==> 300-350 МГц; 450 МГц ==> 420-470 МГц; 900 МГц ==> 806-947 МГц. В настоящее время системы СПР осваивают диапазон 1800 МГц. Для СПР с использованием спутниковых ретрансляторов могут приме-няться радиоволны следующих поддиапазонов: L (0,4-1,55 ГГц), S (1,55-5,2 ГГц), X (5,2-10,9 ГГц) и К (10,9-36 ГГц). Для непрофессионального использования выделены радиолюбительские поддиапазоны: fпр = 27 МГц (26,1-28,3); 144 МГц (144-148); 430 МГц (430-450). По н а п р а в л е н н о с т и р а д и о с в я з и системы СПР делятся на симплексные (односторонние), дуплексные (двусторонние) и полудуплексные (связь одного абонента сразу с несколькими). По з о н е о б с л у ж и в а н и я системы СПР подразделяются на: - радиальные, - линейные, -.территориальные. По п е р е д а в а е м о й и н ф о р м а ц и и: - речевая СПР; - цифровая; - кодированная. По с к о р о с т и обмена цифровой информацией системы СПР делятся на - низкоскоростные (300 и 600 бит/с); - обычные (1200 и 2400 бит/с); 49

- высокоскоростные (4800 и 9600 бит/с и более). В системах СПР используются следующие способы разделения радиоканалов: - частотное (FDMA – Frequency Division Multiple Access), - временное (TDMA – Time DMA), - кодовое (CDMA – Code DMA), - территориальное, - динамическое, - с расширением спектра (spread spectrum). По к о н ф и г у р а ц и и системы СПР бывают: - простые или автономные (связь производится напрямую или с одним ретранслятором), - магистральные (транкинговые – trunked), - сотовые (cellular), - многозональные (роуминговые – roaming). Д о п у с т и м а я н а г р у з к а линии связи: если ň – среднее количество сеансов связи за 1 час, Ť – средняя продолжительность сеанса связи в секундах, то нагрузка канала связи есть А = ň Ť ⁄ 3600 и измеряется в Эрлангах. Например, при ň = 100 (1⁄ час) и Ť = 10 с нагрузка А = 0,28 Эрл. Если задать допустимую вероятность Bд блокировки (занятости в произвольный момент времени) линии связи, то по зависимости B(A), рассчитываемой методами теории массового обслуживания, можно определить допустимую нагрузку Aд на линию связи (см. рис.3.1). В территориальных системах СПР со множеством базовых станцийретрансляторов нагрузка измеряется в Эрлангах на квадратный километр. B

0 ,4

1 канал

0 ,3 2 кан ала

0 ,2 3 кан ала

0 ,1 Bд 0 0

0 ,5

A д 1 ,0

1 ,5

Рис. 3.1 Вероятность B блокировки связи в зависимости от нагрузки A на один канал.

50

A, Э рл

Практика показала, что для радиальной УКВ-радиосвязи оптималь-ными поддиапазонами являются: - пересеченная сельская местность при дальности действия 40-50 км – fпр = 40 МГц; - пересеченная сельская местность при дальности 25-40 км – fпр = 330 МГц; - городская территория при дальности связи 15-25 км – fпр = 160 МГц; - городская территория при дальности связи менее 15 км – fпр = 450 МГц. Дальность прямой радиосвязи зависит в основном от мощности передатчика, чувствительности приемника, помеховой обстановки и высоты антенн над окружающей местностью. Для увеличения дальности СПР могут применяться различные искусственные и естественные ретрансляторы (переотражатели) радиосигналов. Таковыми являются (по возрастанию их высоты и, соответственно, по увеличению дальности радиосвязи): - наземные ретрансляторы (hртр = 10-50 м); - метеорный слой верхней атмосферы (hртр= 90-110 км, Rсвз= 1000-1800 км); - ночная ионосфера Земли (hртр = 200 км); - низкоорбитальные (LEO) ИСЗ (hртр = 200-1000 км); - среднеорбитальные (MEO) ИСЗ (hртр = 10-20 тыс.км); - геостационарные (GEO) ИСЗ (hртр ≈ 36 тыс.км); - ИСЗ с эллиптической орбитой (HEO). Основные характеристики систем сухопутной подвижной радиосвязи, существенные для их применения в ТИУРЭС, следующие. Н а п р а в л е н н о с т ь радиосвязи. З о н а о б с л у ж и в а н и я или дальность действия. К а т е г о р и и обслуживаемых абонентов: системы СПР общего (СПРОП), специализированного или корпоративного (СПР-СП) и индивидуального (личного) пользования. Ч и с л о обслуживаемых абонентов (емкость системы): системы с минимальной емкостью (до 100 абонентов), с малой (до 1000 абонентов), со средней (до 10 тыс. абонентов) и большой емкостью. С о е д и н е н и е с местной телефонной сетью: не предусмотрено, возможно, обязательно. В и д ы передаваемой информации: речевая (полоса частот речевого канала составляет 300-3400 Гц); кодированная (различные сигналы и команды, а также телеграфные сигналы) и цифровая (телеметрическая информация, данные, цифровые изображения и т. п.). Д и а п а з о н рабочих частот. В и д ы м о д у л я ц и и. Основными видами модуляции в традиционных системах СПР являются однополосная (ОМ) – на частотах ниже 30 МГц – и угловая (УМ): частотная (ЧМ) или фазовая (ФМ). Иногда используется простая

51

амплитудная модуляция (АМ). В современных системах СПР используются различные виды фазовой и частотной манипуляции. Системы СПР-ОП (общего использования) предназначены для обслуживания абонентов независимо от их ведомственной принадлежности. Системы СПР-ОП разделяются на радиотелефонные системы (РТС) общего пользования (РТС-ОП) и системы персонального радиовызова (СПРВОП). РТС-ОП обеспечивают связь ПО между собой, а также – через центральную радиостанцию – с абонентами городской автоматической телефонной сети (ГАТС) в дуплексном режиме связи. СПРВ-ОП (пейджинговые системы) позволяют передавать кодированное сообщение данному абоненту от любого абонента ГАТС. Обратная связь осуществляется по другим каналам связи. Системы СПР-СП делятся на диспетчерские радиотелефонные системы, радиосистемы передачи данных, автономные радиотелефонные системы, автономные системы дистанционного управления (АСДУ) подвижными объектами, системы аварийной СПР. В 1990 г. во всем мире было около 12 млн. абонентов систем сухопутной подвижной (в основном – речевой) радиосвязи. В настоящее время в области СПР произошла техническая революция, особенности которой состоят в следующем: - все системы СПР становятся ц и ф р о в ы м и (речь из аналоговой формы преобразуется в цифровую); - основными видами модуляции становятся фазовая и частотная манипуляция несущей; - разделение каналов радиосвязи – временное и кодовое; - кодирование сообщений – сверточное и блоковое; - обязательным является сопряжение со всеми телефонными системами (проводной) связи, которые также становятся цифровыми. Завершение этой технической революции позволит: - разрешить проблему ограниченности каналов связи; - повысить качество воспроизведения информации; - решить проблему конфиденциальности радиосвязи; - полностью автоматизировать работу систем СПР; - интегрировать каналы стационарной радио- и проводной связи с системами СПР в единую систему обмена информацией. В 1982 г. началась разработка общеевропейского стандарта на цифровые системы СПР (СЕРТ), который был в окончательно принят в январе 1991 г. и на основании которого создаются сотовые и транкинговые РТС-ОП. Стандарт CEPT определяет следующие основные характеристики систем СПР. Диапазон частот: мобильные радиостанции 890-915 МГц, стационарные радиостанции 935-960 МГц. Разнесение канальных частот 200 кГц. 52

Скорость передачи сообщений Длительность информационного бита

270833 Бод. 3,692 мкс.

89 Преобразование речи в цифровую форму с помощью унифицированных кодеров-декодеров КОДЕКИ. Общая скорость передачи преобразованного речевого сигнала 13 000 Бод. Максимальная скорость передачи битовой информации 42-49 кБод. Режим работы систем СПР – многостанционный доступ с временным разделением каналов TDMA. Виды модуляции несущей: частотная или фазовая манипуляция со сдвигом π / 4 GMSK, QPSK. Начиная с 1996 г. развиваются территориальные сотовые радиотелефонные системы СПР III поколения, работающие в диапазоне частот fпр = 1800 МГц: в Евросоюзе – это системы DCS-1800 (Digital Cellular Systems), которые в дальнейшем будут интегрированы в общеевропейскую систему СПР "Universal Mobile Telecommunication System" (UMTS); в США – это системы PCS-1900 ("Personal Communication Services", 1900 МГц). После ввода в эксплуатацию соответствующей спутниковой системы радиосвязи, осуществляющей роуминг (передачу телекоммуникационного обеспечения пользователей) территориальных систем связи в глобальном масштабе, будет создана (после 2010 г.) всемирная радиотелефонная система СПР: FPLMTS ("Future Public Land Mobile Telephone System"), она же – IMT 2000 (“International Mobile Telecommunications 2000”). FPLMTS должна объединить в глобальную сверхсистему связи: • территориальные системы СПР (транкинговые и сотовые), • проводные телефонные сети общего пользования, • цифровые телефонные сети (в том числе – электронную почту, службы Internet и др.), • сети пакетной передачи данных, • системы бесшнуровых телефонов, • радиовещательные системы передачи сообщений, • системы персональной радиосвязи. В настоящее время в системах ТИУРЭС применяется несколько видов систем сухопутной подвижной радиосвязи: простые (традиционные) персональные, радиомаячковые, магистральные (транкинговые), сотовые, пейджинговые,

53

радиосистемы передачи данных и радиотелефонные системы связи, а также спутниковые системы СПР. Выбор средства связи для РСДУ зависит от ряда требований, предъявляемых разработчикам со стороны Заказчика РСДУ: частость сеансов обмена сообщениями, допустимая цена сообщения, объем сообщений, территориальное покрытие, стоимость оборудования и т. д. Региональные и континентальные грузоперевозки требуют минимальной частости сеансов связи (например, передача местоположения НТС может производиться один раз в несколько часов). Мобильные службы индивидуальной безопасности требуют связи по запросу только в случае аварии или тревоги (например, система обеспечения безопасности на автомагистралях США "Mayday"). Напротив, службы по чрезвычайным ситуациям на транспорте требуют постоянной непрерывной связи между диспетчерским центром и НТС, так как командные сообщения и сигналы управления, проверка маршрута движения, контроль надежности связи, диспетчеризация и связь с приоритетными НТС должны производиться непрерывно в реальном масштабе времени, чтобы вовремя среагировать на изменение ситуации. Кроме того, могут потребоваться частые передачи дифференциальных поправок РНС (например, каждые 5-10 с), чтобы повысить точность местоопределения по сигналам GPS до 5 м и менее, что необходимо для службы 911 (телефон службы реагирования при чрезвычайных ситуациях). Другое требование пользователей – площадь покрытия. Чтобы контролировать перевозки контейнеров по всему миру с помощью автомобильных, морских и воздушных транспортных средств, требуется индивидуальное местоопределение контейнеров с тем, чтобы их передвижение можно было контролировать оперативно. Этот тип систем требует глобального перекрытия: GPS – для местоопределения и спутниковые системы радиосвязи (ССРС) – для радиосвязи. Существует три рода ТИУС, использующих СПР: - системы управления передвижением парков наземных транспортных средств (РСДУ); - службы информирования на дорогах; - автодорожные службы. Каждый род ТИУС требует своих средств сухопутной подвижной радиосвязи (СПР). Системы диспетчерского управления требуют двустороннюю радиосвязь; служба информирования (мониторинга) – как одностороннюю, так и двустороннюю радиосвязь; автодорожные службы собирают разнообразную дорожную информацию – и им нужна односторонняя радиосвязь для передачи служебной информации и поправок к радионавигационным параметрам РНС. Следует отметить тенденцию к использованию нескольких типов систем СПР. Например, многие системы могут использовать радиопередатчик, который передает информацию на мачту связи; эта мачта, затем, передает данные 54

по наземным линиям связи в центр управления, который передает необходимую информацию на диспетчерский центр РСДУ и т. д. 3.2. Дальность действия систем СПР [7, 10, 35] Дальность действия системы радиосвязи является ее фундаментальной характеристикой с точки зрения пользователей системы СПР. Условия распространения радиосигналов в системах СПР являются очень сложными и поэтому эксплуатационно-технические характеристики радиотрасс СПР точному теоретическому расчету не поддаются. В то же время, пользователи систем СПР предъявляют высокие требования к качественным характеристикам радиосвязи. В связи с этим при разработке или развитии системы СПР остро встает вопрос о предварительном прогнозировании дальности действия базовых станций (БС) системы на конкретной территории, о конфигурации зон действия БС, об их сопряженности в общую зону действия системы СПР для дальнейшей опытной проверки и уточнения характеристик (калибровки) рабочей зоны системы. Эта трудоемкая и длительная процедура называется частотно-территориальным планированием (ЧТП) системы СПР. На начальном этапе ЧТП дальность действия RБС данной базовой станции определяется из простых радиофизических представлений. Пусть передатчик БС имеет выходную мощность Pпрд (обычно 10-50 Вт). Часть этой мощности теряется в АФУ (ηпрд. – К.П.Д. АФУ). В свободном пространстве излучаемые радиосигналы распространяются со скоростью co ≈ 300 м/мкс во все стороны. На заданном расстоянии R от передатчика мощность Pпрд ηпрд распределится по сфере площадью S = 4πR2 (расхождение радиоволн). Однако мощность излучения распределяется по разным направлениям неравномерно. Эта неравномерность характеризуется коэффициентом направленного действия (диаграммой направленности, коэффициентом усиления) антенны Gпрд(α, β), где α – азимут, β – угол места точки приема относительно передающей антенны (отсчитывается в вертикальной плоскости – от горизонта). Таким образом, в точке приема плотность потока мощности pпрм приходящего радиосигнала есть: pпрм = Pпрд ηпрд Gпрд/(4πR2) (Вт). Если мы с помощью приемной антенны “соберем” этот поток мощности с площади Aэ и преобразуем радиосигнал в высокочастотный электрический, то мощность полученного на выходе антенной системы электросигнала Pпрм будет: Pпрм = Aэ pпрм. Приемная антенна также характеризуется диаграммой направленности Gпрм(α’, β’), которая связана с эффективной площадью Aэ соотношением: Gпрм = 4πAэ / λ2, где λ – длина волны несущего сообщение радиосигнала. Значит, на выходе антенны приемника получается высокочастотный электросигнал мощностью Pпрм = Pпрд ηпрд Gпрд Gпрм λ2 (4πR)-2 (Вт). Этот электросигнал теряет часть мощности (на тепловые потери) в антенном кабеле приемника, характеризуемом К.П.Д. ηпрм. Входное сопротивление Rп приемника должно быть согласовано с волновым сопротивлением кабеля ρ (Rп = ρ), которое 55

обычно составляет 50 (Ом). При таком согласовании на вход приемника поступает максимально возможная мощность Pвх принятого антенно-фидерным устройством радиосигнала, равная Pвх = ½ Pпрм ηпрм. = ½ Pпрд Gпрд Gпрм λ2 ηпрд ηпрм /(4πR)-2 (Вт). Приемник характеризуется своей чувствительностью, которая измеряется минимальным эффективным значением напряжения Uмин (В) электрического сигнала на входе приемника, обеспечивающим на его выходе воспроизведение принятого сообщения с заданным (стандартизованным) качеством, то есть с определенным отношением сигнал/помеха (для речевого сигнала это отношение должно составлять 12 дБ – ГОСТ 12 252-86). Максимальная дальность радиосвязи RМ будет иметь место тогда, когда величина Pвх станет равной минимально возможной (для качественной работы приемника) мощности, соответствующей величинам Uмин и Rп, то есть Pвх = U2мин / Rп. Значит, U2мин / Rп = ½ Pпрд Gпрд Gпрм λ2 ηпрд ηпрм /(4πRМ)-2 . Отсюда максимальная дальность действия радиоканала в свободном пространстве RМ, которая зависит от чувствительности приемника Uмин при его входном сопротивлении Rп = 50 (Ом), равна RМ =

5λ 4π U мин

Pпрд Gпрд Gпрм η прд η прм

( м ).

(3.1)

Однако вблизи поверхности Земли ситуация усложняется. Во-первых, плотность нормальной атмосферы экспоненциально падает с высотой. Поэтому радиоволны диапазонов СПР претерпевают положительную рефракцию (искривление траектории распространения радиоволны вверх). Это приводит к увеличению RМ приблизительно в 1,15 раз. Во-вторых, в условиях дождя, тумана и т. п. на верхних частотах диапазона СПР имеет место существенное затухание радиосигнала на трассе распространения. В-третьих, автомобиль с приемной антенной, расположенной на высоте 1,5–3 м, может перемещаться по лесной дороге или мимо парков и садов. Лес или различные посадки приводят к дополнительному затуханию радиосигнала, зависящего от средней высоты деревьев, от плотности посадок, от породы деревьев (хвойные, лиственные, широколиственные), от времени года (зимой листья опадают, древесные соки замерзают – затухание уменьшается), от влажности воздуха и т. п. В-четвертых, даже если автомобиль движется по ровной степи и величина RМ, вычисленная по формуле (3.1), составляет сотни километров, кривизна

56

поверхности Земли ограничивает радиосвязь радиовидимостью – дальностью радиогоризонта (см. рис.3.2). Эта дальность Rрг (в километрах) оценивается приближенной формулой R рг (км ) = 4,12

[

]

hпрд ( м ) + hпрм ( м ) ,

где hпрд, hпрм – высоты передающей и приемной антенн (в метрах). В-пятых, на сильно пересеченной местности (овраги, долины, холмы, горы, ущелья и т. п.) радиовидимость приходится оценивать по профилю

h1

R

h2

Р и с . 3 .2 . Р а д и о г о р и з о н т

рельефа местности с помощью цифровых топографических карт. Наконец, в городских условиях радиовидимость практически отсутствует, а радиосигналы от передающей станции до приемной антенны распространяются за счет многократных отражений от крыш, стен домов и построек, от высоких металлических конструкций и т. д. (многолучевое распространение радиоволн). Здесь провести расчеты величины RМ еще сложнее. Однако для грубой оценки величины RМ пользуются вышеприведенной формулой (3.1) с заменой квадратичного уменьшения плотности потока мощности радиоволн (R-2), более “сильным” (R-n, n>2): RМ =

n

25Pпрд Gпрд Gпрм η прдη прм [λ / (4π U )] 2

( м ).

При этом в зависимости от плотности и высоты застройки величина n может меняться от n = 3-3,5 – в сельской местности до n = 4-5 – в городской. Приведенные выше формулы позволяют провести начальные расчеты проектируемой рабочей зоны системы СПР. Для уточнения этих расчетов разработаны различные пакеты прикладных программ, содержащие компьютерные многослойные географические информационные системы (ГИС), цифровые карты радиопомех, инженерно-радиофизические формулы и графики для расчета трасс распространения радиосигналов. Эти пакеты обеспечивают: - расчет границ зон действия БС, - расчет покрытия зон действия БС (выявление локальных участков неуверенного приема радиосигналов), - оценку взаимных помех БС. Первые ГИС, пригодные для частотно-территориального планирования систем СПР гражданского назначения, появились в США и в Канаде в 1970-х годах. В 1992 г. Институт исследования окружающей среды США разработал современную цифровую карту всей земной суши. Научно-исследовательский институт радио (Ленинградское отделение – ЛОНИИР) в 1984-98 гг. разработал систему автоматизированного проектирования сетей подвижной и фиксированной радиосвязи САПР “Балтика”. 57

3.3. Традиционные автономные системы персональной радиосвязи [7] Традиционные системы СПР осуществляют радиосвязь между абонентами либо непосредственно (напрямую), либо через ретранслятор. Они не требуют создания сложной территориальной инфраструктуры и потому называются также автономными. Эти системы – аналоговые с разнесением соседних каналов радиосвязи на 25 кГц либо (узкополосные системы СПР) – на 12,5 кГц (Россия и Евросоюз). В США принято разнесение на 30 и 10 кГц соответственно. По организации радиосвязи автономные системы СПР делятся на симплексные, дуплексные и полудуплексные. При симплексе передача сообщений возможна попеременно в каждом из двух направлений "абонент– абонент" с переключением одного имеющегося канала радиосвязи вручную (с помощью тангенты на корпусе микрофона или телефонной трубки). При дуплексе приемопередатчики всех абонентов работают на прием и передачу одновременно по двум каналам радиосвязи. В диапазоне 160 МГц дуплексное частотное разнесение радиоканалов составляет 3 МГц, в диапазоне 330 МГц – 4,8 МГц, в диапазоне 450 МГЦ – 5 МГц, в диапазоне 900 МГц – 45 МГц. Полудуплекс – это вид работы системы СПР, при котором радиосвязь в обоих направлениях осуществляется на разных частотах, но у одного абонента передача и прием сообщений ведется одновременно (например, у диспетчера), а у других – попеременно. Это вид радиосвязи применяется в автономных системах диспетчерского (дистанционного) управления (АСДУ) подвижными объектами (такси, автобусы, троллейбусы и т. п.). Аппаратура подвижного абонента может иметь выходную мощность передатчика до 20 Вт (мобильный или возимый приемопередатчик), а также до 2 и до 0,5 Вт (портативный или носимый приемопередатчик). Наиболее распространенными диапазонами радиочастот в традиционных системах СПР являются 160 и 450 МГц. Структурная схема мобильного приемопередатчика системы СПР представлена на рис. 3.3.

БВГ

ПРМ

ПУ

АФУ

БАУ

ВИП

ПРД

От бортовой сети электропитания Рис. 3.3 Структурная схема мобильного приемопередатчика автономной системы СПР.

58

На рис.3.3 обозначено: БВГ – блок выносного громкоговорителя, ПУ – пульт управления, БАУ – блок автоматики и управления приемопередатчиком, ПРМ – приемник, ПРД – передатчик, АФУ – антенно-фидерное устройство, ВИП – вторичный источник питания. ПРМ и ПРД могут быть одно- и многоканальными. Переключение радиоканалов осуществляется вручную с пульта управления по договоренности между абонентами. Антенны приемопередатчиков – штыревые либо спиральные. В городских условиях эксплуатации выходная мощность передатчика ограничивается максимумом в 10 Вт. Чувствительность приемника обычно составляет Uмин = 0,5 мкВ при отношении сигнал/помеха на его выходе 12 дБ и варьирует от 0,2 до 1 мкВ. Это обеспечивает дальность радиосвязи между подвижными объектами 8-10 км – в пригородах и 3-5 км – в центре города. Связь с диспетчерским центром АСДУ осуществляется с помощью антенной мачты, устанавливаемой либо вблизи помещения центра, либо на крыше здания, в котором он расположен. Радиус действия АСДУ обычно составляет 15-30 км. Аппаратура абонента автономной системы СПР имеет три режима работы: "Дежурный прием" (ожидание вызова), "Прием" (по установлении радиосвязи) и "Передача". Вызов абонента осуществляется двумя тональными посылками (например, 1000 и 1400 Гц). Основное достоинство традиционных автономных систем СПР – быстрота установления радиосвязи: 0,1-0,25 с. При использовании автономных систем СПР в ТИУРЭС возникает проблема реализации обмена аппаратуры подвижного объекта и ЦДКУ цифровой информацией. Эта проблема решается включением между бортовой микроЭВМ и абонентской аппаратурой системы СПР, а также между радиостанцией ЦДКУ и персональным компьютером радиооператора РСДУ радиомодемов. МОДЕМЫ широко используются в телефонной электросвязи: телефаксы, электронная почта, система "Internet" и т. п. Эти наработки перенесены в радиосвязь с подвижными объектами. Модемы производят обмен информацией обычно асинхронно (по запросу или по расписанию), а приемопередатчик предлагает один канал передачи, то есть последовательную передачу цифровой информации. Для асинхронной последовательной передачи цифровой информации по речевому каналу связи Международным союзом по электросвязи (ITU) разработан ряд международных стандартов. По скорости передачи данных радиомодемы делятся на классы, соответствующие следующим стандартам: V.21 – низкоскоростной модем со скоростью обмена 200 (300) Бод; V.22 – дуплексный модем со скоростью обмена 1200 Бод с применением двукратной относительной фазовой модуляции; V.22 bis – дуплексный модем со скоростью обмена 2400 Бод, с частот-ным разделением каналов и с применением квадратурной амплитудной модуляции; V.26 – четырехпроводный модем со скоростью обмена 2400 Бод. 59

Для формата обмена широко распространены стандарты V.24 и Х.27, которые часто называются по-американски RS-232C и RS-422A соответственно. Ведущим производителем радиомодемов являются фирм “Pacific Crest” и Ericsson. Для периодического опроса всего диспетчеризируемого парка НТС проводится циркулярный или групповой опрос НТС (штатный режим работы РСДУ – polling), занимающий около 10% времени. Остальное время предоставляется для обмена речевой информацией. При традиционной УКВ-радиосвязи возникает еще одна проблема: сокрытие речевой информации (чтобы не подслушивали "противники", о чем говорят водитель и диспетчер). Для этого служат маскираторы и скремблеры ("делающие свалку"). Ясно, что со временем "все тайное становится явным, но уже ненужным". Поэтому если Заказчик требует, чтобы его "противник" долго не мог перехватить радиопередачу, то разработчик предлагает ему сложную и дорогую аппаратуру (скремблер); если недолго – то простую и дешевую (маскиратор). Простейший маскиратор имеет набор полосовых фильтров и преобразователей частоты. Речевой сигнал фильтруется, у сигнала каждого фильтра смещается по оговоренному псевдослучайному коду центральная частота, полученные сигналы складываются и поступают на модулятор передатчика. На приемном конце радиоканала по этому коду проводится восстановление сигнала. Типичный маскиратор представляет собой печатную плату размером 110×80 мм стоимостью менее 100 дол. США. Более сложное и криптостойкое устройство – скремблер. В скремблере речевой сигнал преобразуется в цифровую форму, затем цифровая последовательность либо искажается по заранее оговоренному закону, либо смешивается с известной псевдослучайной последовательностью. Такая квазишумовая цифровая последовательность преобразуется в аналоговую форму (получается до неузнаваемости искаженная какофония звуков) и поступает на модулятор передатчика. На приемном конце радиоканала производятся соответствующие преобразования в обратном порядке, и из телефонной трубки или из громкоговорителя "свой человек" слышит обычную «человеческую речь». Примером отечественного скремблера является конверсионная разработка СТА-1000М акционерного общества "Т-Хелпер", основанная на устройстве засекречивания переговоров по закрытой автоматической связи (ЗАС) в российской армии. Ключевое слово длиной от 1 до 16 десятичных цифр, служащее для кодирования речевой информации (1016 комбинаций), вводится в скремблер самими абонентами и может быть соответствующим образом изменено в процессе переговоров произвольное число раз. Это делает практически невозможным вскрытие содержания переговоров. Стоимость такого скремблера около 200 дол. США.

60

Традиционные системы радиосвязи путем небольшой модернизации могут быть превращены во вполне современные полуавтоматизированные диспетчерские системы управления перевозками. Для этого нужно к традиционным речевым приемопередатчикам добавить радиоканал управления. Этот радиоканал можно организовать на неиспользуемых аудиочастотах в полосе 50-250 Гц. При этом канал управления можно сделать либо аналоговым, либо цифровым. Аналоговый канал, например, системы CTCSS (“Continuous-Tone-Coded Squelch System”) к модулирующему аудиосигналу добавляет один из 38 фиксированных тонов в полосе 67-250 Гц. Они не слышны операторам, так как подавляются в усилителе низкой частоты приемника. Приемники оснащаются декодерами этих тонов. Если в сигнале управления нет соответствующего тона, то низкочастотные цепи приемника блокируются. Можно организовать групповой или индивидуальный вызов и многое другое. Однако малое количество сигналов управления не позволяет организовать даже идентификацию мобильного приемопередатчика. Цифровой канал диспетчерского управления использует тот же аудиодиапазон; однако по этому каналу передается цифровая информация. Типичным примером использования цифрового канала управления является система “Rapid Call” американской фирмы Motorola международного стандарта Select-5. Система “Rapid Call” обеспечивает диспетчерской системе: - передачу и индикацию на диспетчерском центре (ДЦ) номера мобильной радиостанции, с которой ведет переговоры диспетчер; - приоритетную передачу сигнала тревоги на ДЦ; - передачу на конкретную мобильную радиостанцию сигнала вызова водителя диспетчером (со звуковой и световой сигнализацией); - подключение внешних устройств сигнализации; - индивидуальный вызов мобильной станции; - дистанционную автоматическую проверку работоспособности данной мобильной станции (элемент обеспечения целостности диспетчерской системы). Для организации автономных диспетчерских систем вдоль конкретных автотрасс применяются многозоновые системы с цепочками ретрансляторов. Вызов, поступивший от автомобиля, который расположен в зоне действия ближайшего ретранслятора, передается по проводной линии связи в виде кодовых блоков (длительностью 80 мс) элементарных посылок длительностью 8 мс каждая (скорость передачи информации – 120 Бод) на все ретрансляторы. Эти вызовы могут быть трех типов: вызов на связь конкретного автомобиля, вызов абонента учрежденческой мини-АТС, команда управления. Вызов сопровождается идентификационным номером абонента (количество номеров – от 2 до 10 тысяч). На диспетчерском центре имеется центральный коммутатор, который выполняет коммутацию ретрансляторов в соответствии с поступившим вызовом. 61

Многозоновые диспетчерские системы, построенные на базе простых систем СПР, имеют дополнительные (по сравнению с однозоновыми, полностью автономными системами) возможности: - подключение к ведущемуся разговору дополнительных участников (конференцсвязь); - перевод абонентом вызова на другой номер; - регистрация перемещений абонентов из зоны в зону; - групповой вызов по всем зонам; - диспетчерский контроль переговоров абонентов с возможностью прерывания “болтовни”; - работа с пейджерами; - аварийный вызов по приоритету – с прерыванием других связей. Для увеличения емкости (допустимой нагрузки каналов) систем СПР и комплексной автоматизации их работы применяются различные способы рационального использования выделенного для радиосвязи радиочастотного ресурса в многоканальных системах СПР [10, 33]. Основных из них – два: свободный доступ абонентов к общему радиочастотному ресурсу (магистральные или транкинговые системы СПР – Trunked Systems), пространственно разнесенное повторное использование радиочастот (сотовые системы СПР – Cellular Systems). Создание таких систем, обеспечивающих радиосвязью большое количество абонентов и обширные территории, требует организации территориальной сети станций-ретрансляторов, автоматических коммутационных центров и центров управления системой. Возникает сложная территориальная инфраструктура системы радиосвязи, аналогичная системам автоматической телефонной связи, система становится не-автономной и “привязанной” (в передвижных системах – временно) к данной территории. 3.4. Транкинговые (магистральные) системы СПР Транкинговые системы СПР предназначены для организации ведомственных (корпоративных) диспетчерских сетей и могут иметь от одной до трех зон обслуживания – локальные сети (до 1000 абонентов), десять и более – региональные сети (до 50 000 абонентов) и до 160 – межрегиональные сети (миллион и более абонентов). Транкинговые системы могут быть реализованы на основе двух методов поиска свободного (из имеющихся в распоряжении системы) канала связи:

62

абонентская станция в режиме "Дежурного приема" осуществляет последовательный поиск (сканирование) свободного канала радиосвязи или вызывного сигнала; непрерывный анализ занятости каналов связи и автоматическое установление сеанса связи возлагается на подсистему управления системы СПР; для управления системой организуется специальный радиоканал и подсистема базовых станций и центров коммутации. В первом случае система СПР остается автономной, но ограничивается пятью-восемью каналами радиосвязи. Во втором – требуется создание стационарной или передвижной линейной или территориальной инфраструктуры. Эта инфраструктура обеспечивает полную автоматизацию работы системы СПР, а также расширяет ее функциональные возможности: установление приоритетности предоставления каналов, выбор наилучшего из них по помеховой обстановке, оперативное реагирование на сигнал тревоги "Alarm" и пр. Транкинговые системы СПР могут быть однозоновыми (весь радиочастотный ресурс закрепляется за одной центральной базовой станцией – БС) и многозоновыми (в каждой зоне устанавливается базовая станция, соединенная высокоскоростным каналом фиксированной – стационарной – связи с центром управления системой, и возможно повторное использование радиочастот). Радиоаппаратура таких систем может быть аналоговой и цифровой. Для передачи данных в аналоговых системах применяются радиомодемы. В цифровых системах речевая информация и данные передаются в цифровой форме. Для унификации аппаратуры и способов построения современных транкинговых систем СПР разработаны "фирменные", национальные и международные стандарты. В настоящее время на центральных территориях России широко распространены аналоговые транкинговые системы стандартов «SmartTrunk-II», МРТ1327 и LTR и цифровые – стандартов EDACS и TETRA. Система «SmartTrunk-II», выпущенная в 1992 г., была разработана как недорогая система для использования в сельских местностях и в развива-ющихся странах и за короткий срок стала мировым стандартом систем СПР средней емкости (до 16 радиоканалов и до 1100 абонентов). «SmartTrunk-II» является развитием системы «SmarTrunk» и имеет следующие технические характеристики: - рабочий диапазон частот, МГц..............…. 146-174 и 403-470, - количество дуплексных каналов..………… до 16, - ширина полосы радиоканала, кГц..........…. 12,5 или 25, - разнесение дуплексных каналов, МГц...…. 5-10, - поднесущая канала управления, Гц.......….. 1200, - время соединения, с.......................………… 2-5, - количество абонентов (емкость)............….. до 1100, - длина личного номера......................………. до 5 цифр, - количество уровней приоритета.............…. 10, - возможность дистанционного отключения абонента с ДП... имеется.

63

Протокол «SmartTrunk» специально модернизирован для условий использования в России и имеет название «SuperTrunk» (с разбивкой территории на соты диаметром (10-15) км и с радиусом действия центра коммутации и управления до 70 км). Большинство американских транкинговых систем работают в стандарте LTR (Clear Channel LTR) фирмы Johnson (варианты: MultiNet и ESAS = UNIDEN). Стандарт LTR аналогичен «SmartTrunk», а их отличие состоит в том, что системы стандарта LTR работают в диапазонах 800 МГц и 900 МГц, управление осуществляется на субтональных поднесущих (около 150 Гц), емкость – до 5000 абонентов на одну БС, время соединения – 0,45 с. Стандарт МРТ-1327 имеет статус общеевропейского и принят в качестве основного стандарта транкинговых систем в России (варианты: ActioNet финской фирмы «Nokia», AccessNet германской фирмы «Rohde&Schwarz», TaitNet новозеландской фирмы «Tait Electronics», CorNet американской фирмы «Zetron» и др.). Стандарт МРТ-1327 разработан в Великобритании для систем СПР общего пользования диапазона (174-225) МГц. Затем он был расширен на диапазоны (146-174) МГц, (300-380) МГц, (400-520) МГц и даже 800 МГц. Используются варианты систем фирмы «Motorola»: Smart Net, Start Site и Smart Zone. В системе МРТ-1327 один радиоканал выделяется под канал управления (централизованного или децентрализованного). Протоколы стандарта МРТ-1327 используется в отечественной транкинговой системе «Гранит» АОЗТ «Леско». Совместно с комплексом «Гранит» можно использовать радиостанции «Арбалет», «Акведук», «Гранит», «Квант», Р-414, Р-415, Р-419 и многие другие. Системы стандарта МРТ-1327 позволяют осуществлять: - групповые и индивидуальные вызовы; - выход в городскую автоматическую телефонную сеть (ГАТС); - выход из ГАТС на подвижного абонента; - выбор самим абонентом типа вызова (внутренний, приоритетный, экстренный); - обмен данными трех типов (короткие сообщения, фиксированной или произвольной длительности); - постановку в очередь на обслуживание (система без потерь). Наиболее современной системой СПР стандарта МРТ-1327 является система AccessNet, которая специально приспособлена для передачи данных от аппаратуры пользователей спутниковой РНС GPS. Стандарт EDACS (Enhanced Digital Access Communication System) разработан фирмой «Ericsson» для создания аналого-цифровых транкинговых систем диапазонов от 30 МГц до 300 МГц, а также 800 МГц и 900 МГц с разнесением соседних каналов на 12,5 кГц, 25 и 30 кГц. Широкополосные каналы (25/30 кГц) являются универсальными цифровыми – со скоростью передачи 9600 Бод; узкополосные (12,5 кГц) используются только для передачи данных со скоростью 4800 Бод и для открытой телефонии. 64

В системе EDACS может быть до 20 радиоканалов, один из которых – канал управления. Время установления соединения в диспетчерском режиме составляет 1 с, время доступа – 0,35 с, количество пользователей – 16383. Стандарт EDACS закрытый, то есть системы этого стандарта аппаратурно обеспечиваются исключительно фирмой Ericsson. Стандарт TETRA (TErrestrial Trunked RAdio) является перспективным (с 1997 г.) общеевропейским стандартом для цифровых транкинговых систем СПР. Он определяет разнесение соседних каналов на 25 кГц, обеспечивает время установления соединения в диспетчерском режиме 0,3 с и скорость передачи информации до 28,8 кбит/с. Стандарт TETRA был разработан на основе стандарта цифровых сотовых систем GSM и максимально применяет его достижения и предоставляемые пользователям услуги, в частности – одновременную передачу речевой и цифровой информации. Системы СПР стандарта TETRA состоят из следующих основных аппаратурных комплексов: - аппаратура центра коммутации; - аппаратура базовых станций; - диспетчерский пульт управления; - парк мобильных и портативных абонентских радиостанций. В системах наряду с частотным (магистральным) используется временное разделение каналов радиосвязи (TDMA) с четырьмя временными окнами (слотами), что позволяет обеспечить четыре речевых канала на каждой из несущих. Дуплексное разнесение несущих составляет 10 МГц. Система требует временной синхронизации, поскольку обмен информацией производится покадрово. Длительность элементарной посылки (бита информации) около 27,78 мкс. Информация передается мультикадрами, состоящими из 18 простых кадров TDMA, один из которых – контрольный. Простой кадр TDMA содержит четыре пакета информации, расположенных в четырех временных окнах, которые и формируют четыре канала на одной несущей. Каждый пакет содержит два информационных блока по 216 бит. Для временной синхронизации пакета и тестирования канала связи используется блок из 36 бит. Защитный интервал из 6 бит исключает перекрытие соседних пакетов. Еще один пакет из 36 бит предназначен для принудительного установления уровня излучаемой абонентской аппаратурой мощности. Для передачи речи применяется специальный низкоскоростной речевой кодек (кодер-декодер), который может использоваться как для анализа речи, так и для ее синтеза. Цифровой поток речевого кодера имеет скорость 4800 Бод. Для повышения помехоустойчивости канала связи используется канальное кодирование и перемежение. При передаче данных канальное кодирование заключается в добавлении к данным тестовой последовательности, по которой определяется уровень помех (процент ошибок) в канале связи. Если он превышает допустимый, запрашивается повторная передача информации. При передаче речи применяется помехоустойчивое кодирование сообщений с прямой коррекцией ошибок. Перемежение применяется для борьбы с замираниями ра65

диосигналов. Информация по радиоканалу передается с помощью четырехпозиционной фазовой манипуляции {-π/4; π/4; -3π/4; 3π/4}. Основные характеристики транкинговых систем СПР стандарта TETRA следующие: Технология доступа цифровая TDMA. Диапазон рабочих частот 380-400 МГц. Эффективная полоса частот на один речевой канал 6,5 кГц. Время установления связи 1 с. Дополнительные возможности – передача данных, групповой вызов, прямая связь без участия БС, возможность расширения зоны обслуживания, роуминга, аутентификации и шифрования. 3.5. Сотовые системы СПР В сотовых системах СПР наряду с рассмотренными выше способами увеличения эффективности использования радиочастотного ресурса применяется территориально-частотное разнесение с повторным (по территории) использованием небольшого набора несущих. Основная идея такого разнесения состоит в том, что базовые станции системы располагаются на таком расстоя-нии друг от друга, что достаточно уверенный прием сигналов абонента осуществляется только одной из них, так что на соответствующем расстоянии от каждой из БС можно использовать ту же частоту несущей. В идеальном случае БС территориально располагаются в вершинах равносторонних треугольников. Тогда зоны действия БС похожи на пчелиные соты; отсюда – название систем: cellular – сотовый. Сотовые системы СПР имеют две разновидности: аналоговые сотовые системы и цифровые [10, 33]. Из аналоговых сотовых систем наиболее распространенными (особенно в США) являются системы стандартов AMPS (Advanced Mobile Phone Service) и N-AMPS (Narrow AMPS), разработанные в США и введенные там в эксплуатацию с 1979 г. Диапазон частот – 800 МГц, ширина полосы: 30 кГц – в стандарте AMPS и 10 кГц – в стандарте N-AMPS. С помощью модемов можно обеспечить передачу данных по радиоканалам системы AMPS со скоростью от 9600 до 14400 бит/с и в ( 2 -2,5) раза меньшей – у системы N-AMPS. С 1991 г. в США началась эксплуатация цифровых систем стандарта DAMPS, которые по многим показателям почти не уступают системам стандарта GSM. В России стандарт D-AMPS принят в качестве регионального. Первой федеральной системой аналоговой сотовой радиосвязи явилась система скандинавского стандарта NMT-450 (Nordic Mobil Telephone system). Стандарт предназначен для систем диапазонов (453-457,5) МГц и (463-677,5) 66

МГц с разнесением соседних каналов на 25 кГц. Его развитием и усовершенствованием является стандарт NMT-900 (диапазон частот 935-960 МГц и 890-915 МГц с разнесением каналов на 12,5 кГц). Стандарт GSM-900 является самым совершенным и перспективным стандартом для цифровых сотовых систем СПР. Системы стандарта GSM (“Global System for Mobile communications”) в Европе начали эксплуатироваться в середине 1991 г. В системах стандарта GSM радиус сот может составлять 1,5-5 км, В малонаселенной слабопересеченной сельской местности он может доходить до 35 км. Напротив, в городских условиях – уменьшаться до 500 м. Это – так называемая макросотовая структура системы СПР. Все БС соединяются высокоскоростной проводной, волоконно-оптической или радиорелейной связью со своими кустовыми Центрами коммутации, которые имеет выход на Центр управления и обслуживания системы. Центр управления системы может соединяться с Центром управления сетью территориальных сотовых систем. В отдельных густонаселенных городских районах емкость макросоты может оказаться недостаточной. В этих районах организуется сотовая инфраструктура с радиусом ячейки 100-500 м – микросотовая подсистема, в которой в качестве центра коммутации используется БС макросотовой инфраструктуры. Микросоты берут на себя обслуживание малоподвижных абонентов (пешеходов) и используют несущую данной макросоты. В замкнутых помещениях микросотовые подсистемы дополняются пикосотовыми подсистемами, имеющими радиусы сот 10-60 м. Центры коммутации сотовой системы СПР обслуживают группы БС и обеспечивают все виды автоматических соединений абонентов, которые необходимы для нормальной работы аппаратуры ПО при его всевозможных перемещениях, в том числе с абонентами ГАТС, систем пакетной передачи данных и стационарных цифровых сетей связи. Центры коммутации обеспечивают маршрутизацию вызовов и управление вызовами. Центры коммутируют радиоканалы в соте и обеспечивают “эстафетную передачу” ПО из соты в соту. Базовые станции управляют распределением радиоканалов, контролируют соединения ПО, регулируют их очередность, обеспечивают режим работы системы со скачками частоты несущей (борьба с глубокими замираниями радиосигналов), модуляцию и демодуляцию сигналов, кодирование и декоди-рование сообщений и речи, а также регулирует скорость передачи информации и т. д. Абонентская аппаратура по излучаемой мощности делится на пять классов: I – до 20 Вт; II – до 8 Вт; III – до 5 Вт; IV – до 2 Вт и V – до 0,8 Вт. Структура кадров в системах GSM довольно сложная. Используются гиперкадры, суперкадры, мультикадры и кадры. Мультикадры могут содержать 26 кадров (основные мультикадры) или 51 кадр (служебные мультикадры). Цифровой информационный поток разделен на битовые пакеты длительностью 576 мкс, размещаемые во временных окнах (слотах) длитель-ностью 67

577 мкс. Запас в 1 мкс рассчитан на нестабильность времени распро-странения радиосигнала в радиоканалах, соответствующих максимальному радиусу соты 35 км. Длительность информационного бита составляет 3,69 мкс. Пакеты окон могут быть пяти видов. Пакет нормального окна содержит два информационных блока по 57 бит, разделенных обучающей последовательностью (26 бит), которая устанавливает уровень сигналов в приемнике абонента в соответствии с амплитудно-частотными характеристиками канала связи в данный момент времени (установка эквалайзера приемника). По этой последовательности также определяется задержка радиосигнала между БС и ПО для автоматической дистанционной регулировки момента излучения абонентской аппаратуры с тем, чтобы исключить наложение на БС сигналов от ПО, находящихся на различных расстояниях от БС. Разделение информационных пакетов на два блока позволяют применить блоковое и сверточное кодирование (борьба с флуктуационными помехами) с перемежением (борьба с быстрыми замираниями). Скачки частоты несущей по псевдослучайному закону позволяют бороться с глубокими замираниями радиосигналов. Основные технические характеристики систем стандарта GSM-900 таковы: - частоты передачи ПО и приема БС, МГц.................. 890-915, - частоты приема ПО и передачи БС, МГц.................. 935-960, - дуплексное разнесение каналов, МГц..................….. 45, - скорость передачи информации, бит/с...................… 270833, - скорость преобразования речи, бит/с...................…. 13000, - ширина полосы канала связи, кГц......................…… 200, - количество скачков по частоте в секунду.............…. 217, - максимальный радиус соты, км........................…….. 35, - время установления связи, с..........................………. до 10. 3.6. Особенности применения систем СПР для телекоммуникационного обеспечения РСДУ При выборе системы СПР для подсистемы телекоммуникационного обеспечения (ПТКО) транспортных информационно-управляющих систем следует учитывать совокупность достоинств и недостатков различных систем сухопутной подвижной радиосвязи. ПТКО на основе аппаратуры автономных систем СПР обладает следующими достоинствами и недостатками. Достоинства. Относительная компактность и дешевизна мобильных радиостанций. Они имеют объемы от 650 см3 до 1500 см3 при стоимости от 380 до 490 дол. (диапазон 160 МГц) и от 400 до 590 дол. (диапазон 450 МГц). Малое время доступа к радиоканалу (0,1-0,25 с). 68

Возможность использования имеющихся у Заказчика традиционных средств СПР, в том числе отечественных радиостанций «Маяк», «Лен», «Виола», «Луч», «Заря» и др. Отсутствие абонентской платы за использование радиоканалов, зависящей от трафика (времени занятости каналов) РСДУ. Ежегодно оплачивается только право на эксплуатируемые частоты. Недостатки. Относительно малый радиус рабочей зоны РСДУ (до 30-40 км – на ровной открытой местности и до (8-20) км – в городских условиях). Необходимость дооснащения большинства типов радиостанций модемами обмена цифровой информации (стоимостью 50-150 дол.). Слабая помехоустойчивость каналов радиосвязи и низкая скорость передачи цифровой информации. Необходимость получения разрешения федерального или территориального комитета по радиочастотам на использование выбранных радиочастот. ПТКО на основе транкинговых систем СПР имеет две разновидности: со специализированным транкингом и с транкингом общего пользования. В первом случае Заказчик разворачивает собственную (ведомственную или корпоративную) транкинговую систему СПР; во втором – использует радио-канал имеющейся на данной территории системы. В обоих случаях мобильные радиостанции имеют объемы от 800 см3 до 1700 см3 при стоимости от 450 до 950 дол. – для аналогового транкинга и от 600 до 1100 дол. – для цифрового. Первая разновидность транкинговых ПТКО имеет следующие достоинства и недостатки. Достоинства. Высокая надежность и помехоустойчивость каналов радиосвязи. Возможность создания оптимальной для обслуживания территории конфигурации рабочей зоны РСДУ. Отсутствие абонентской платы за использование каналов радиосвязи. Возможность сдачи в аренду каналов радиосвязи другим пользователям. Возможность расширения зоны действия системы и изменения ее конфигурации. Недостатки. Очень высокие первоначальные затраты на создание инфраструктуры транкинговой системы СПР (оборудование базовых станций и центра коммутации и управления). Так, аппаратура двухканального контроллера БС системы «SmarTrunk-II» стоит около 1000 дол. Столько же стоит установка на земле антенной мачты высотой 50 м. Высокие затраты на эксплуатацию ПТКО. Необходимость получения разрешения на радиочастоты. Вторая разновидность транкинговых ПТКО имеет следующие достоинства и недостатки. 69

Достоинства. Высокие помехоустойчивость каналов радиосвязи и скорость передачи цифровой информации (до 9,6 кбит/с). Отсутствие первоначальных затрат на создание инфраструктуры подсистемы и эксплуатационных расходов. Недостатки. Возможность отказов на представление канала радиосвязи в «часы пик». Ограничение рабочей зоны РСДУ зоной действия транкинговой ТСС общего пользования. ПТКО на основе сотовых систем СПР имеет следующие достоинства и недостатки. Достоинства. Широчайший спектр предоставляемых пользователям телекоммуникационных услуг. Высокая надежность, помехоустойчивость и качество радиосвязи. Большая скорость передачи цифровой информации (до 271 кбит/с). Конфиденциальность речевой радиосвязи. Отсутствие начальных затрат на создание телекоммуникационной инфраструктуры. Недостатки. Дороговизна абонентской аппаратуры (от 700 до 1200 дол.). Относительно высокая абонентская плата за пользование каналами радиосвязи; Большое время установления радиосвязи (до 10 с). Возможность отказа в установлении связи в «часы пик». Ограничения рабочей зоны РСДУ зоной действия сотовой системы СПР. 3.7. Другие системы СПР с наземным базированием Из других систем СПР в ТИУРЭС нашли применение (пейджинговые) системы персонального радиовызова и мобильная подсистема (WAP) системы Internet. Мобильные системы персонального радиовызова (СПРВ – пейджинговые системы: paging – вызов) предназначены для организации вызовов подвижных абонентов и передачи им коротких цифро-буквенных сообщений. Вызов абонента производится передачей на его пейджер индивидуального кода, который переключает пейджер из дежурного режима в режим приема. После этого данный пейджер принимает следующее за кодом короткое сообщение. Пейджинговые системы состоят из контрольно-оконечной станции (КОС), сети дополнительных (базовых) станций, соединенных с КОС высокоскоростными радиорелейными линиями связи, и парка пейджеров, связанных с дополнительными станциями радиоканалами. Обычные пейджинговые системы осуществляют передачу данных только от КОС к пейджерам. Существуют пейджинговые системы с двусторонней ра70

диосвязью. Такие системы могут эффективно использоваться в системах ТИУРЭС. Они аналогичны сотовым системам СПР; однако аппаратура таких систем проще и дешевле, чем сотовых, поскольку требования по высококачественной передаче аналоговых (речевых) сообщений к ним не предъявляются. Абонентская аппаратура систем двустороннего пейджинга называется твейджерами (Two WAY paGER). Система Internet – глобальная интернациональная распределенная информационная компьютерная сеть, которая с помощью различных высокоскоростных цифровых линий стационарной (фиксированной) связи (в том числе – волоконно-оптической, радиорелейной, космической) объединяет в единую суперсистему тысячи серверов (вычислительных машин). Серверы хранят огромное количество информации и по проводным телефонным линиям связи могут соединяться с персональными компьютерами пользователей сети. В 1990-х годах персональные компьютеры (ПК) получили массовое распространение во всем мире. С помощью телефонных модемов они могут подключаться к линиям городской автоматической телефонной связи. На этой основе стало возможным подключать любые ПК к сети Internet. В сети Internet появились службы электронной почты (обмен текстовой информацией между ПК пользователей) и гипертекстов (WWW). Последняя позволяет находить в системе Internet любую имеющуюся в сети серверов информацию с помощью автоматической международной, междугородной и городской проводной телефонной связи. Служба WWW получила название “всемирной паутины” (WWW – World Wide Web). Развитие сотовых систем СПР позволило расширить возможности службы WWW и привело к появлению подсистем WAP (Wireless Access Protocol) сотовых систем СПР. Служба WAP подключает мобильный или носимый радиотелефон к сети Internet “на ходу”. Это позволяет использовать службу WAP в двух вариантах. В первом случае БРЭК, установленный на борту НТС, периодически подключается к системе Internet и посылает (например, по электронной почте) сообщение в ЦДКУ о своих координатах и состоянии (мониторинг НТС). По электронной почте БРЭК может периодически получать сообщения и команды от радиооператора РСДУ (режим “off-line”). Если возникает нештатная ситуация, БРЭК или аппаратура ЦДКУ получает в распоряжение канал связи службы WAP – и происходит обмен информацией между водителем и радиооператором в режиме “on-line” системы Internet (режим реального времени). 3.8. Спутниковые системы мобильной радиосвязи В качестве альтернативы (или дополнения) наземным мобильным системам радиосвязи постоянно вводятся или планируются к вводу в эксплуатацию спутниковые системы мобильной радиосвязи (ССРС [10, 33]). Типичные применения спутниковой мобильной радиосвязи: - диспетчерское управление движением грузовых автомобилей; - правительственная связь; - контроль и управление дорожным движением; 71

- персональные средства связи для бизнесменов; - низкоскоростные средства связи специального применения. Типичные услуги, предоставляемые пользователям спутниковых систем радиосвязи: - пейджинг; - посылка сообщений; - телефония; - передача факсов; - передача данных; - местоопределение и навигация. Множество исследовательских программ, осуществляемых по всему миру, пытаются найти пути уменьшения отрицательных последствий ужасающих размеров роста дорожного движения. В дополнение к диспетчерскому управлению эти программы нацелены на мониторинг и управление всеобщим дорожным движением. Здесь возможны оба подхода: микро- (в пределах группы автомобилей) и макроподход. Задачами, относимыми к макроподходу, являются: - сбор информации о плотности дорожного движения, скорости его субъектов, погодных условиях и т. д.; - принятие оперативных решений по результатам экспресс-анализа собранной информации; - распространение дорожной информации, маршрутные предложения участникам дорожного движения и т. д. Спутники могут быть использованы для сбора информации на более обширной площади, чем наземные средства. Большое количество малых дорожно-контрольных станций с низкой скоростью передачи данных, расположенных в соответствующих местах трассы, могут передавать информацию через спутниковую сеть на дорожный диспетчерский центр. Несмотря на то, что такая связь скорее стационарная, чем подвижная (так как эта сеть спутниковой радиосвязи используется при низких скоростях передачи данных), она может быть использована и для РСДУ. Распространение информации, относящейся к ограниченным географическим площадям, на более обширные территории может быть осуществлено посредством наземной связи или через спутник. В последнем случае необходимо "маскировать" распространяемую информацию таким образом, чтобы создать у пользователя уверенность в том, что он принимает только относящуюся к нему информацию. ССРС состоят из следующих трех сегментов: • космический сегмент спутников-ретрансляторов; • наземный сегмент станций управления, контроля и сопряжения ССРС с наземными системами подвижной и стационарной связи (в том числе – с телефонными сетями); • сегмент абонентской аппаратуры. 72

По высоте орбит спутников-ретрансляторов ССРС подразделяют на низкоорбитальные (LEO), среднеорбитальные (MEO), ССРС с геостационарными ретрансляторами (GEO) и ССРС с высокоэллиптическими орбитами ретрансляторов (HEO). В спутниковых системах радиосвязи могут быть использованы следующие частотные диапазоны: ∗ L-диапазон (1452-1500 и 1610-1710 МГц) и S-диапазон (19302700 МГц) – для каналов связи с транспортными средствами; ∗ S-диапазон (3400-5250 и 5725-7075 МГц), Ku-диапазон (10700-12750 и 12750-14800 МГц) или Ka-диапазон (14400-26500 и 27000-50200 МГц) – для межстанционных линий связи; ∗ 23 ГГц, 60 ГГц или оптическая связь – для межспутниковых каналов связи. В низкоорбитальной спутниковой системе (LEO) каждый спутник охватывает круговую площадь на земной поверхности, диаметр которой зависит от высоты орбиты и минимально допустимого угла склонения, при котором спутник еще видим для абонента системы связи. Эти параметры определяют номер орбитальной плоскости, необходимой для непрерывного и (почти) глобального охвата. Число спутников-ретрансляторов в LEO-сети составляет 30-70 ИСЗ. Рабочие зоны спутников подразделены на малые радиоячейки, каждая из которых обслуживается одиночным точечным лучом. Таким образом, возможно повторное использование частоты, как это делается в наземной сотовой сети. Некоторые LEO-системы включают в себя межспутниковые линии связи (ISLs) для непосредственной передачи сигналов со спутника на спутник. Посредством множества сопрягающих станций система стыкуется с наземными стационарными и сотовыми сетями. Регистраторы спутниковой системы поддерживают глобальное подвижное управление в сети LEO, а также привязывают местоположение пользователя к непрерывно перемещающимся рабочим зонам спутника. Высокоорбитальные радиосистемы спутниковой связи используют 3 или 4 больших многолучевых геостационарных (GEO) спутника с большими развертываемыми антеннами и ретрансляторами с цифровой обработкой радиосигналов. Международный комитет INMARSAT рассматривал вариант со 100точечными лучами. Отрицательными сторонами GEO-систем, однако, являются: длительная задержка сигнала, низкие углы склонения на территориях с высокими географическими широтами и очень сложные точечно-лучевые спутниковые антенны. Низкоорбитальные ССРС требуют большого количества спутников на круговых наклонных или полярных орбитах с высотой около 1000 км. К этому типу систем принадлежат, например, Globalstar и Iridium. Использование межспутниковой связи и соответствующей бортовой обработки было предложено

73

для системы Iridium в целях улучшения связности сети, в частности – для междугородных телефонных разговоров. LEO-системы вызывают небольшую задержку передаваемого сигнала и могут быть расценены как эффективные для определенных целей. Малая дальность распространения радиосигналов дает возможность использовать носимые терминалы. Низкие орбиты спутников "производят" малые радио-ячейки, делающие возможным лучшее повторное использование радиочастот. Отрицательная сторона LEO-систем: большое количество ИСЗ, требуемых для глобального покрытия, а также то, что большая площадь земной поверхности охватывается только под низкими углами склонения, ухудшающими режим распространения радиосигналов. Глобальный охват может быть достигнут при помощи умеренного количества (10-15) среднеорбитальных (МЕО) спутников на наклонных круговых орбитах. Типичная высота орбиты – 10354 км, которая используется системой Odyssey. Комитет INMARSAT также рассматривал этот вариант для своего Проекта-21. МЕО-ИСЗ вызывают приемлемую задержку распростра-нения сигнала; им нужны лучевые антенны меньшей сложности, чем у GEO-ИСЗ, что позволяет обслуживать носимые терминалы. Кроме того, МЕО-кон-цепция может представлять собой привлекательный компромисс между GEO- и LEOсистемами. ИСЗ ССРС с эллиптической орбитой (НЕО-системы) длительное время (около 8 часов) движутся вблизи своих апогеев. Поэтому, например, тройка спутников может обеспечить непрерывный охват региона с высоким углом склонения. Система "ESA Archimedes" применяет такого типа подход к многорегиональному охвату (Европа, Сев. Америка, Азия) с помощью шести НЕОИСЗ с высотой апогея 26800 км или 43000 км. Такие созвездия также могли бы быть доукомплектованы GEO- и МЕО-ИСЗ для обеспечения глобального охвата. Система Globalstar основана на методе, который фирма "Loral Qualcomm" использовала для наземных сотовых CDMA-сетей и нацелена, в основном, на расширение радиоячеек таких сетей. Система Odyssey – это МЕО-система, подобная Inmarsat-P. Система Ellipso состоит из 14 ИСЗ, размещенных на трех эллиптических орбитах с апогеями в 7800 км и на круговой экваториальной орбите с высотой 8000 км. Создаваемое третье поколение спутниковых систем, предназначенных для обеспечения глобальной персональной радиосвязи, характеризуется: - портативными терминалами малых размеров; - обслуживанием пользователей, отправляющихся в автопутешествия на дальние расстояния; - высокой надежностью и качеством обслуживания; - сетевым информированием; - приемлемой стоимостью терминалов и тарифами обслуживания; 74

- высокой сетевой емкостью. Портативные терминалы с квазинаправленной антенной и очень низкая мощность передачи представляют собой наиглавнейшую проблему для разработки сетей спутниковой персональной связи (S-PCN). S-PCN расширяют наземные сети сотовой связи на площади со слабым развитием инфраструктуры радиосвязи. Также они дают возможность с помощью глобальной радиосвязи замкнуть те наземные сотовые системы, для которых существуют несовместимые стандарты передачи данных. Основные данные по современным и перспективным ССРС приведены в табл.3.1. Система ССРС

Globalstar Orbcomm

Iridium

Inmarsat-P (ICO)

Odyssey

Ellipso

Орбиты ИСЗ Число ИСЗ Высота ИСЗ, км Число лучей Диапазоны частот: -вверх, ГГц -вниз, ГГц Число каналов Зона охвата по широте Стоимость абон. аппаратуры, дол. Год ввода в эксплуатацию

LEO 48 1414 16

LEO 30 825 ?

LEO 66 780 48

MEO 10 10360 163

MEO 12 10354 61

HEO 14 520-7840 8

1,6 2,5 2500 70оN 70oS 750

0,16 0,16 ? 70оN 70oS 1500

1,6 1,6 1100 90оN 90oS 3000

1,9 2,1 4500 70оN 70oS 5000

1,6 2,5 3000 70оN 70oS 350-1000

1,6 2,5 ? 90оN 40oS 1000

1999

1999

1998 (2000)

2000

2005

2001 Таблица 3.1

СУЩЕСТВУЮЩИЕ И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ЗАРУБЕЖНЫЕ СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ РАДИОСВЯЗИ

Контрольные вопросы 1. Общие сведения о сухопутной подвижной радиосвязи. 2. Дальность действия систем сухопутной подвижной радиосвязи. 3. Охарактеризовать основные отличия автономных, транкинговых, сотовых и спутниковых систем радиосвязи. 4. Традиционные автономные системы персональной радиосвязи. 5. Диспетчерские системы СПР. 6. Транкинговые системы СПР. Основные стандарты. 7. Сотовые системы СПР. 8. Особенности применения систем СПР в ТИУРЭС. 75

9. 10.

Пейджинговые и проводные системы связи в ТИУРЭС. Спутниковые системы мобильной радиосвязи.

4. ЭЛЕКТРОННО-КАРТОГРАФИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНО-МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТИУРЭС Электронная картография является третьим из основных компонентов ТИУРЭС и предназначена для оперативного отображения (визуализации) процесса перемещения НТС на данной территории, а также для автоматизированного проведения различных картографических построений и геометрических измерений на электронном отображении данной территории. Электронная картография обеспечивает взаимодействие ТИУРЭС с радиооператором диспетчерского центра РСДУ или с водителем НТС (человеко-машинный интерфейс). Это позволяет замкнуть технические средства ТИУС через ее операторов в единый информационно-управляющий контур и полностью автоматизировать основные операции по управлению передвижением НТС. В электронной картографии используются цифровые карты территории, обслуживаемой ТИУС, которые получают в результате цифрования бумажной картографической основы. Как указывалось в разд.1, требования к точности местоопределения НТС на городских территориях весьма высокие (единицы и десятки метров). Поэтому в городских ТИУС обычно используют крупномасштабные топографические карты (в 1 см – 100-250 м), которые построены в геодезической проекции Гаусса-Крюгера. Плоские прямоугольные координаты Гаусса-Крюгера являются относительными координатами точек поверхности Земли, редуцированных на поверхность соответствующего национального референц-эллипсоида. В то же время, приемоизмерители спутниковых РНС работают в абсолютной пространственной геоцентрической системе декартовых координат (X, Y, Z). Поэтому разработчику ТИУРЭС необходимо освоить основные сведения по высшей геодезии и традиционной картографии, а при изучении специальной литературы – иметь в виду применение этих сведений при проектировании ТИУРЭС. Электронная картография является составной частью общего программного обеспечения ТИУРЭС, основные сведения о котором даются ниже. 4.1. Общая структура программного обеспечения ТИУРЭС Полная автоматизация работы аппаратуры РСДУ осуществляется программным обеспечением (ПГО) бортового компьютера НТС и главной электронновычислительной машины или компьютерной сети диспетчерского центра РСДУ. ПГО бортового компьютера НТС обычно проще ПГО диспетчерского центра, но имеет с ним много общего. Поэтому рассмотрим ПГО главной ЭВМ диспетчерского центра (ДЦ) РСДУ.

76

Программное обеспечение РСДУ состоит в общем случае из пяти частей: системное ПГО, специализированное ПГО, тестовое ПГО, сервисное ПГО и система управления базой данных РСДУ (банк данных РСДУ). С и с т е м н о е ПГО – это операционная система, обеспечивающая работу главной ЭВМ ДЦ и бортового компьютера НТС самих по себе и с внешними устройствами (периферией БРЭК и ДЦ). С п е ц и а л и з и р о в а н н о е ПГО – открытая модульная система, выполняющая о с н о в н ы е функции РСДУ, диспетчеризацию программ главной ЭВМ или бортового компьютера, формирование сообщений в РСДУ, контроль сохранности и защиту информации, циркулирующей в РСДУ и т. п. Основные функции специализированного ПГО, характерные для РСДУ, следующие: - обеспечение обмена цифровой информацией между ДЦ и НТС; - ведение оперативной базы цифровой картографической информации; - формирование информации для отображения местоположения НТС на основе измеренных значений РНП или принятых геодезических координат НТС; - визуализация местоположения НТС на дисплейном фоне электронной картографии; - определение координат указанных радиооператором РСДУ объектов, расстояний, азимутов, площадей, построение профилей местности, зон радиовидимости системы связи и т. п. Программа обмена цифровой информацией между ДЦ и НТС зависит от вида радиосвязи, типа радиомодемов и режимов работы РСДУ. Опрос НТС (polling) может быть двух видов: по запросу ДЦ и по расписанию. В первом случае ЭВМ ДЦ посылает кодограммы индивидуального, группового или циркулярного опроса. Во втором случае аппаратура НТС периодически посылает на ДЦ свое сообщение в выделенном временном участке кадра, задаваемого ЭВМ ДЦ и синхронизируемого по системной временной шкале используемой для местоопределения НТС радионавигационной системы. Эти сообщения запоминаются в оперативной памяти ЭВМ ДЦ, а диспетчеризация парка НТС производится в режиме с разделенным временем с использованием текущей базы данных о состоянии НТС. При этом следует предусмотреть оперативное реагирование ЭВМ ДЦ на поступивший сигнал тревоги от НТС, попавшего в чрезвычайную ситуацию. Программа обслуживания оперативной базы цифровой картографической информации обеспечивает обращение к цифровым моделям местности, хранящимся в постоянной памяти ЭВМ ДЦ или бортового компьютера НТС, формирование цифровой модели требуемого участка обслуживаемой РСДУ территории (необходимого масштаба) и подготовку ее к визуализации на дисплее радиооператора ДЦ или водителя НТС. Программа формирования информации для отображения местоположения НТС производит преобразование значений РНП или геодезических координат 77

НТС в дисплейные координаты, с помощью которых программа визуализации обеспечивает отображение текущего местоположения НТС на фоне электронной карты соответствующего участка местности, по которой движется НТС. Программа работы с цифровой картографической информацией позволяет радиооператору ДЦ или водителю НТС проводить необходимые построения и измерения на цифровой карте, в том числе – путем обращения к банку адресносправочных данных, получать местоположение интересующих его стационарных объектов и местных предметов. Т е с т о в ы е программы позволяют проверить правильность функционирования любой из используемых в РСДУ программ. С е р в и с н ы е программы обеспечивают дополнительные функциональные возможности РСДУ в зависимости от видов транспортно-технологических операций, которые обслуживает данная конкретная система ТИУРЭС. Программное обеспечение ДЦ обычно имеет постоянную и переменную части, называемые соответственно ядром ПГО и драйверами ПГО (драйверы навигационной и связной аппаратуры, датчиков состояния подвижных объектов). В совокупности с аналогичными программами, работающими в бортовых процессорах, драйверы составляют комплекс программных средств, обеспечивающих получение на борту от ДМП и от ДДИ навигационной и статусной информации, ее обработку и пересылку по каналу радиосвязи между БРЭК и ДЦ, а также подготовку полученной на ДЦ информации для отображения ее на электронной карте. Каждый драйвер представляет собой библиотеку функций, обеспечивающих инерфейсную связь ядра ПГО с конкретной навигационной, связной и другой аппаратуры, а также с базой данных. В ядро ПГО включены процедуры, обеспечивающие привязку электронной карты к показаниям ДМП, процедуры, реализующие алгоритмы диспетчеризации НТС, обеспечивающие обработку и отображение на соответствующем фрагменте электронной карты навигационной и статусной информации контролируемых НТС, настройку системы и интерфейса пользователя на оптимальное функционирование, а также процедуры контекстной помощи и т. п. Разбиение ПГО ДЦ на ядро и драйверы обеспечивают открытость программной архитектуры и адаптацию ПГО к новой навигационной, связной и статусной аппаратуры путем программирования новых драйверов. Драйверы навигационной подсистемы обеспечивают: 1. работу с любыми приемниками СРНС; 2. совместную обработку данных от навигационных приемников и от бортовых датчиков курса, пройденного пути (одометры) и заднего хода; 3. регулярное обновление навигационной информации. Драйверы телекоммуникационной подсистемы обеспечивают: 1. радиотелефонную связь данного стандарта; 2. передачу данных независимо от речевой связи; 78

3. передачу данных в режиме разделения времени (off-line), по запросу с ДЦ или в реальном времени (on-line); 4. автоматическое обновление информации на ДЦ. Драйверы электронно-картографического обеспечения позволяют: 1. автоматически взять НТС на диспетчерское обслуживание при выходе его на маршрут; 2. вывести – по запросу радиооператора – на дисплей ПКРО местоположение, курс, скорость и время последнего получения навигационной информации для любого НТС; 3. автоматически высветить “тревожное” НТС и подать звуковое оповещение о нем сразу после срабатывания датчика охранной сигнализации; 4. редуцировать местоположение НТС на изображение дорожно-транспортной сети; 5. центрировать электронную карту на экране относительно местоположения выделенного НТС; 6. проводить автоматический циркулярный опрос (polling) НТС; 7. автоматически переключать листы цифровой карты в режиме слежения выделенного НТС; 8. автоматически или вручную прокладывать маршрут следования НТС, а также сигнализировать об отклонении от маршрута; 9. протоколировать маршрут передвижения НТС; 10. просматривать маршрутные протоколы (“послерейсовый” контроль); 11. работать с растровыми (сканированными) картами и схемами; 12. оперативно корректировать цифровые карты местности при изменении текущей автодорожной обстановки; 13. организовать дифференциальный режим работы системы координатно-временного обеспечения и ввод поправок на условия распространения радионавигационных сигналов; 14. обеспечить функционирование сервисных программ. 4.2. Основные понятия сфероидической геодезии Основные сведения из высшей геодезии и традиционной картографии состоят в следующем [2, 30]. Поверхность Земли представляет собой уникальную геометрическую фигуру, называемую геоидом. Геоид строится следующим образом. На пространствах Мирового океана он совмещается с многолетним средним уровнем его водной поверхности (уровень моря). Эта поверхность путем геодезического нивелирования продолжается по суше таким образом, чтобы отвесная линия, опущенная с земной поверхности на геоид, была бы нормалью к этой поверхности. Длина полученной нормали является высотой HМ точки земной поверхности над уровнем моря. Таким образом построенная форма

79

геоида зависит не только от физической формы поверхности Земли, но и от конфигурации гравитационного поля Земли. Ясно, что указанные построения практически могут быть проведены в ограниченном числе точек земной поверхности. На территории СССР такие построения были проведены в 164000 триангуляционных пунктах (центрах) I класса, которые образовали базовую национальную геодезическую сеть – Государственную геодезическую сеть (ГГС). Для различных топографо-геодезических и теоретических построений необходимо, на основе базовой геодезической сети, построить аналитическую поверхность, наиболее близкую к соответствующей системе точек геоида. Ближайшей аналитической аппроксимацией геоида является эллипсоид: поверхность, образованная вращением эллипса вокруг его малой оси. Расстояние между точкой геоида и аппроксимирующим его эллипсоидом (референцэллипсоидом) называется аномалией высоты соответствующей точки земной поверхности, а сумма аномалии высоты и величины HМ является геодезической высотой H этой точки. На топографических картах местности обычно, в виде горизонталей, то есть линий, соединяющих точки земной поверхности с одинаковой высотой, приводятся данные о высоте HМ точек земной поверхности над уровнем моря. На основе ГГС и многочисленных данных астрономо-геодезических и гравитационных измерений в 1940 г. были получены параметры советского референц-эллипсоида (Красовского). Поскольку земной эллипсоид мало отличается от сферы, его называют также сфероидом. Более грубое представление геоида – сфера. Радиус земной сферы, которая заключает объем, равный объему референц-эллипсоида Красовского, составляет Rо = 6371 км. Для большинства практических целей достаточна аппроксимация геоида сфероидом. Рассмотрим основные системы координат, используемые в геодезии и картографии. Пусть мы привязали трехмерную декартову систему координат (X, Y, Z) к полюсам РР', к экватору О'О'' и к нулевому меридиану L = 0 (рис.4.1). Система координат (X, Y, Z) называется прямоугольной пространственной геоцентрической. Пусть точка Q находится над земным сфероидом где-то на нулевом меридиане (см. рис.4.1), а Q' – ее проекция на земной сфероид (по нормали к касательной плоскости Q'S). Угол Ф = О'ОQ называется геоцентрической широтой точки Q. Координаты (Ф, L, ρ) называются полярными геоцентрическими координатами точки Q. Система (X, Y, Z) используется в спутниковой радионавигации. Координаты (X, Y, Z) и (Ф, L, ρ) достаточно просто связаны между собой: ρ 2 = X 2 + Y 2 + Z 2 ; sin Φ = Z / ρ ; tg L = Y / X .

Поэтому система координат (Ф, L, ρ) является вспомогательной и применяется довольно редко. Астрономические наблюдения позволяют с очень высокой точностью определить угол ϕ между отвесной линией и плоскостью земного экватора, а 80

также угол λ между местным и гринвичским меридианами. Совокупность угловых координат (ϕ, λ) образует астрономическую систему координат, которая привязана к геоиду. При геодезической съемке местности оперируют другими координатами: пространственными (полными) геодезическими координатами (B,L,H). Если референц-эллипсоид привязан к системе координат (X, Y, Z), то нормаль, опущенная к нему из точки Q, пересечет линию полюсов РР′ точке n, не совпадающей с началом координат O (см. рис.4.1.а и 4.1.б). Угол B между нормалью Qn к референц-эллипсоиду и плоскостью экватора О'GО" называется геодезической широтой, а расстояние H от точки Q до ее проекции Q' на референц-эллипсоид называется геодезической высотой точки Q. Линия пересечения референц-эллипсоида с плоскостью, проведенной через прямую Qn перпендикулярно плоскости меридиана PQ', называется первым вертикалом (E'Q'E на рис.4.1.а). Длина N отрезка nQ' называется радиусом кривизны первого вертикала. Меридиан PQ'Р' в точке Q' имеет радиус кривизны М. Двумерная система координат (B, L) называется географической. Отличия географических (B, L) и астрономических (ϕ, λ) координат точек земной поверхности составляют 1"-2". В формулах сфероидической геометрии фигурируют следующие основные величины: а – большая полуось сфероида; b – малая полуось сфероида; α = (a – b)/a – полярное сжатие; e = √ a – b /a – первый эксцентриситет; e′ = √ a2 – b2 /b – второй эксцентриситет; и следующие основные функции: V 2 = 1 + (e′ )2 cos 2 B, W 2 = 1 – e2 sin 2 B, η = e′ cos B; tg Ф = (1 - e2) tg B. Через эти величины и функции достаточно просто выражаются многие элементы сфероидической геометрии. Например, радиусы кривизны меридиана (М = а (1 – e2)/W3) и первого вертикала (N = a/ W). Связь между полными геодезическими и геоцентрическими координатами выражаются формулами: X = (N + H) cos B cos L, Y = (N + H) cos B sin L, Z = (N + H) sin B – e2 N sin B. Таким образом, в результате трудоемких многодесятилетних топографогеодезических работ, проведенных в разных странах мира, точки земной поверхности были спроектированы (редуцированы) на национальные референцэллипсоиды и получили геодезические координаты (B, L, H). Всего во всем мире известно около 250 картографических систем координат, которые до построения общего ("абсолютного") земного референц-эллипсоида, параметры которого были определены в СССР и в США с помощью 81

спутниковых геодезических измерений в 1960-1980 гг., не были связаны между собой. Как оказалось, координаты одной и той же точки земной поверхности в разных национальных системах координат могут отличаться на сотни метров (до 1500 м). Наиболее широко применяемыми являются три референц-эллипсоида: американский Бесселя-Фишера (1922 г.), западноевропейский Хейфорда (1924 г.) и советский Красовского (1942 г.). Определение параметров референц-эллипсоида Красовского и привязка к нему геодезических точек территории России и СССР проводилась российскими и советскими геодезистами и картографами с начала XIX в. на основе развивавшейся геодезической сети, которая к настоящему времени состоит из 164 000 триангуляционных пунктов I класса, которые привязаны к Пулковской обсерватории – по широте и долготе и к кронштадтскому футштоку – по высотам над уровнем моря. В результате проведенных работ к 1942 г. была создана Единая система геодезических координат и высот 1942 года (СК-42), официально введенная в действие 7 апреля 1946 г. Футштоки – это инварные рейки, прочно установленные на берегах океанов и морей для наблюдения за уровнем моря и его экстраполяции на сушу методом нивелирования. Нивелирование – определение разности высот точек земной поверхности с помощью оптического прибора – нивелира – и нивелирных реек. Нивелирная рейка имеет высоту около трех метров и инварную (железо-никелевую) штриховую ленту. Геодезическая государственная сеть закреплена на территории России грунтовыми реперами: железобетонными плитами, укрепленными на глубине более двух метров, в которые вмонтированы пилоны с геодезической маркой на верхушке. Марка – это стальная головка с отверстием, в которое при нивелировании вставляется штифт нивелирной рейки. Нивелирные рейки футштоков жестко закреплены на береговых грунтовых реперах [18]. Средний уровень моря определяется с помощью статистической обработки длительных наблюдений в течение 20-25 лет. На кронштадтском водомерном посту регулярные наблюдения ведутся с 1840 г.; поэтому нуль кронштадтского футштока был определен по данным наблюдений за 100 лет. Геодезические ИСЗ позволили связать между собой референц-эллипсоиды Фишера, Хейфорда и Красовского, уточнить общую форму Земли, построить международный референц-эллипсоид ("Geodetic Reference System 1980" – GRS 80) и создать к 1984 г. Всемирную систему геодезических координат WGS 84 ("World Geodetic System 1984"). Аналогичные работы советских геодезистов и картографов привели к созданию Системы геоцентрических координат 1985 г. (СГС-85). Дальнейшее уточнение формы и размеров общего земного эллипсоида, а также характеристик гравитационного поля Земли привело к созданию, на основе астрономо-геодезических и гравиметрических данных по суше Земли и по акватории Мирового океана, Геоцентрической системы координат ПЗ-90, которая совместно с системой СГС-85 образует Единую геоцентрическую систему координат СК-95 [26]. 82

Геоцентрическая система координат ПЗ-90 определяется координатами пунктов космической геодезической сети. Точность (СКО) положений этих геодезических пунктов на территории России в геоцентрической системе координат ПЗ-90 составляет 3 м. Параметры общего земного эллипсоида ПЗ-90: м).

Большая полуось (аe)

378136 м (С.К.О. = 1

Знаменатель сжатия (1/α) 298,25784 (С.К.О. = 0,00034). Ускорение силы тяжестина экваторе (γe) 978032,8 мГал (С.К.О. = 0,2 мГал). Поправка в ускорение силы тяжести γ на притяжение атмосферы на уровне моря (δγa) 0,9 мГал (СКО = 0,1 мГал). Примечание: 1 Гал = 1 Галилей = 0,01 м/с2. Геоцентрическая система координат ПЗ-90. Начало геоцентрической системы координат ПЗ-90 расположено в центре масс Земли, ось Zп направлена к среднему северному полюсу на среднюю эпоху 1900-1905 гг., как это определено в решениях Международного астрономического союза и Международной ассоциации геодезии. Ось Хп лежит в плоскости земного экватора эпохи 1900-1905 гг., плоскость (XOZ)п определяет положение нольпункта принятой системы счета долгот, ось Yп дополняет систему координат до правой. Геодезические координаты (Вп, Lп, Нп) относятся к общему земному эллипсоиду с большой полуосью ае и сжатием α. Центр общего земного эллипсоида совпадает с центром масс Земли. Ось вращения (малая полуось) совпадает с осью Zп, плоскость начального меридиана (Lп = 0) совпадает с плоскостью (XOZ)п. Геодезическая широта Вп точки М определяется как угол между нормалью к поверхности эллипсоида и плоскостью экватора; геодезическая долгота Lп – угол между плоскостью начального меридиана и плоскостью меридиана, проходящего через точку М (положительное направление счета долгот – от начального меридиана к востоку); геодезическая высота Нп – расстояние по нормали от поверхности эллипсоида до точки М. Параллельно с пространственным проектированием точек поверхности Земли на разработанные референц-эллипсоиды (геодезические работы) создавались точные крупномасштабные топографические карты отдельных территорий, которые являются уменьшенными, обобщенными, построенными по определенным правилам изображениями участков земной поверхности на плоскости (топографические работы). На топографических картах высоты H точек земной поверхности изображаются горизонталями с соответствующей оцифровкой, и основная проблема отображения на картах точек (B, L) соответствующего референц-эллипсоида состоит в их проектировании на плоскую поверхность таким образом, чтобы обеспечить минимальные искажения при 83

дальнейшем практическом использовании полученных карт с плоской прямоугольной системой координат на них (картографические работы). Такая проекция была предложена Гауссом (1825-1830 гг.) для референц-эллипсоида Бесселя и доведена до практического применения в геодезии и картографии Крюгером (1912 г.). Эта проекция – равноугольная или конформная, для которой угловые искажения при переходе со сфероида на плоскость отсутствуют, а масштабы линейных искажений одинаковы по всем направлениям. Для построения проекции Гаусса-Крюгера земной эллипсоид разделяется меридианами на зоны. Осевой меридиан зоны имеет долготу Ln = 6о n – 3о. Для базовых карт масштаба "в 1 см – 10 км" (М 1:1 000 000) боковые рамки соответствуют меридианам (Ln – 3о) и (Ln + 3о). Если зоны трехградусные, то карта делится посередине пополам. В системе плоских конформных координат Гаусса-Крюгера в каждой зоне изображение осевого меридиана – ось Ох, направленная на Север; изображение экватора – ось Oy, направленная на Восток. Система координат ГауссаКрюгера, таким образом, левая прямоугольная. В проекции Гаусса-Крюгера (Г.-К.) осевой меридиан изображается без искажений. Для данной точки Q' (B, L) земного эллипсоида определяются ее широта В и приведенная долгота l = L – Ln, отсчитываемая от осевого меридиана. Затем, по соответствующим формулам теории функций комплексного переменного, вычисляются координаты (x, y) проекции q (рис.4.2) точки Q' (рис.4.1.б) на плоскость с системой координат Oyx (см. рис.4.2). При таком преобразовании референц-эллипсоида параллели и меридианы изображаются так, как показано на рис.4.2.а. На плоскости (x, y) (линейные) масштабы в окрестности точки q не зависят от азимута (конформизм отображения Г.-К.), но зависят от yq. При этом на краю шестиградусной зоны – по сравнению с нулевым меридианом данной зоны – линейные размеры на плоскости (x, y) искажаются на 1:1200. Если зоны трехградусные – то на 1:5000. Если имеется "плоская трапеция", то есть изображение на бумаге участка земной поверхности (топографическая карта или план – см. рис.4.2.б), на которой края листа "совпадают" с меридианами и параллелями, то координаты Г.-К. любой точки M плана находятся по широте BM и долготе LM этой точки интерполяцией из углов изображения. На топографическом плане масштаба 1:25000 обычно указываются координаты Г.-К. углов трапеции, как показано на рис.4.2.б. Тогда для любой точки M (BM, LM) координаты (xм, yм) можно вычислить интерполяцией: x м = x11 +

x − x11 x 21 − x11 ( ( l м − l 1 ) − δ x, B м − B 1 ) + 12 l2 − l 1 B 2 − B1

y м = y11 +

y − y11 y 21 − y11 ( ( lм − l1 ) − δ y , B м − B 1 ) + 12 l 2 − l1 B 2 − B1

84

где δx и δy – поправки на нелинейное изменение абсцисс и ординат в зависимости от BM и lM. Без введения поправок (δx, δy) остается ошибка (в зависимости от lM ) от 0 до 1:1200 (1:5000).

85

86

Угол γ между меридианом, проходящим через точку M, и осью Ox называется сближением меридианов в этой точке и, с точностью до одной угловой минуты, определяется по формуле: γ = lM sin B. Карты зон Г.-К. на краю каждой зоны перекрываются на ±30'. Это перекрытие позволяет по одной общей точке соседних зон перейти из одной зоны в другую. А чтобы при довольно громоздких ручных вычислениях не иметь дело с отрицательными числами, начало координат Г.-К. сдвигают по оси Оy на 500 км на Запад, так что условная абсцисса yусл есть: yусл= y + 500 000 (м). Существуют и другие картографические проекции и системы координат. При этом конкретные их реализации построены на основании национальных референц-эллипсоидов. Связь ПЗ-90 с системой координат 1942 г. [26] Система координат 1942 г. (СК-42) является референц-системой. Начало системы координат не совпадает с центром масс Земли примерно на 200 м, ось Z42 параллельна оси Zп, ось Х42 определяется положением нольпункта принятой системы счета долгот, ось Y42 дополняет систему координат до правой. Геодезические координаты (В42, L42, Н42) относятся к эллипсоиду Красовского с большой полуосью акр = 6378245 м, 1/αкр = 298,3. Центр референц-эллипсоида Красовского совпадает с началом прямоугольной системы координат (X,Y,Z)42, ось вращения совпадает с осью Z42, плоскость начального меридиана совпадает с плоскостью (X,O,Z)42 Геодезические широта В42, долгота L42 и высота Н42 точки определяются аналогично описанному выше способом. Система координат 1942 года создавалась методами наземной геодезии и закрепляется координатами пунктов астрономо-геодезической сети России. Перевычисление пространственных прямоугольных координат из СК-42 в П3-90 и обратно выполняется по формулам (аффинное преобразование Молоденского-Бадекаса): X Y Z X Y Z

90

1 - wz wy = (1 + m) w z 1 - wx - wy wx 1

42

X 1 wz - wy wx × Y = (1 – m) - wz 1 wy - wx 1 Z

X × Y Z

42

∆X + ∆Y ∆Z ,

90

∆X ∆Y ∆Z

–

.

Линейные и угловые элементы ориентирования (∆X, ∆Y, ∆Z, wx, wy, wz) задают координаты центра референц-эллипсоида Красовского и ориентировку осей СК-42 в П3-90. В этих формулах угловые элементы ориентирования выра87

выражены в радианной мере. Масштабный коэффициент (m) характеризует различие линейных масштабов в двух системах координат. Элементы ориентирования СК-42 в системе ПЗ-90 имеют следующие численные значения: ∆X = +25 м (±2 м); ∆Y = –141 м (±2 м); ∆Z = –80 м (±3 м); wx = 0,00" (±0,1"); wy = +0,35" (±0,1"); wz = +0,66" (±0,1"); m = 0,00" (±0,25) × 10-6. Численные значения элементов ориентирования периодически уточняются. Данные формулы могут быть использованы для преобразования координат точки в любые другие системы координат. Таким образом, универсальные алгоритмы перехода от измеренных (с помощью приемоизмерителя спутниковой РНС) координат (X, Y, Z) объекта местоопределения к его местоположению на крупномасштабной топографической карте местности и к его высоте над уровнем моря должны учитывать следующие факторы: • в какой системе геоцентрических координат (X, Y, Z) работает приемоизмеритель (WGS 84 или СГС-85); • к какой национальной геодезической системе координат (B, L, H) привязана топографическая карта местности (российская картография привязана к системе СК-42); • каковы формулы перехода от системы (X, Y, Z) к системе (B, L, H); • какова форма геоида, принятая в данной геодезической системе координат (она определяет аномалии высот точек земной поверхности). Такой универсальный алгоритм включает следующие основные операции: * по координатам (X, Y, Z) объекта определяются его координаты (B, L, H); * по координатам (B, L) определяются координаты Гаусса-Крюгера (x, y) объекта и аномалия высоты ζ в точке (B, L); * по величинам H и ζ определяется высота объекта над уровнем моря HM = H – ζ, а по горизонталям в окрестности точки (x, y) – высота h объекта над земной поверхностью: h = HM - hз (x, y), где hз (x, y) – высота земной поверхности в точке (x, y). Окончательно получают координаты Гаусса-Крюгера (x, y) объекта и его высоту h над земной поверхностью. Наиболее простой алгоритм вычисления координат Гаусса-Крюгера (x, yусл) (в метрах) по геодезическим координатам (B, L) (в радианах) с погрешностью не хуже 3 м разработан В. П. Морозовым [30]. Он состоит в следующем. Сначала получают разложение: 9,5493 L + 1 = n + α, где n – целая часть, α – дробная часть числа, L – в радианах. Затем вычисляют величины _________________ 88

l = (α – 0,5) / 9,5493 и N = 6 399 700 / √ 1 + 0,006 7385 cos2B . Результирующие формулы для x и yусл таковы: x = (0,5 N l2 + 135 cos2B – 32 140) sinB cosB + 6 367 558 B, yусл = [( cos2B – 0,5) l2/3 + 1] l N cosB + (10n + 5) 105. Если ПИ СРНС работает по радиосигналам системы GPS, то для перехода от системы координат WGS 84 к системе ПЗ-90 можно пользоваться следующими формулами [41]: X 1,1 X 1 -0,82×10-6 0 -6 -6 1 0 × Y – 0,3 Y = (1 – 0,12×10 ) 0,82×10 Z WGS 0 0 1 Z 0,9 . Описанные выше прецизионные геодезические расчеты необходимы в электронно-картографическом обеспечении городских РСДУ, в которых используются крупномасштабные топографические карты городской территории. Для междугородных РСДУ используются среднемасштабные географические карты регионов, поверхность Земли на которых обычно изображается в равноугольной цилиндрической проекции Меркатора [23]. В этом случае точки референц-эллипсоида проектируются на цилиндрическую поверхность, ось которой совпадает с линией полюсов Земли. Начало плоской декартовой системы координат на развернутой затем цилиндрической картографической поверхности совпадает с точкой (B = 0, L = 0); ось Ox направлена на Север; ось Oy – на Восток. В системе СК-42 ордината произвольной точки М вычисляется по формуле: yM = R LMo ⁄ ρo, где R = 6 378 245 м, а ρo = 57,295 7795о (градусная мера радиана). Чтобы сохранить равноугольность проекции, абсциссу точки М вычисляют по формуле: xM = R lg [tg (45o + BM ⁄ 2)] ⁄ lg e = R qM, где lg e = 0,434 294 48, а qM = lg [tg (45o + BM ⁄ 2)] ⁄ lg e называется изометрической широтой точки M(BM, LM). Напротив, если зона действия РСДУ составляет несколько десятков километров, то можно воспользоваться локальной декартовой левой топоцентрической горизонтальной системой координат (x, y, z), привязанной к геодезическим координатам (Bo, Lo, Ho) диспетчерского центра. Горизонтальная плоскость такой системы координат является касательной к референц-эллипсоиду в точке (Bo, Lo, Ho), которая становится началом системы (x, y, z). Ось Ox направляется на Север, ось Oy – на Восток, а ось OZ – вверх. Геодезические координаты (B, L, H) данного НТС пересчитываются в (x, y, z) следующим образом. Вычисляются первые вертикалы Nо и N точек (Bo, Lo, Ho) и (B, L, H) соответственно. Координаты (x, y, z) находятся по формулам: x = (N + H) [sinB cosBo – cosB sinBo cos(L – Lo)] + e2 (Nо sinBo – N sinB) cosBo; y = (N + H) cosB sin(L – Lo); z = (N + H) [sinB sinBo + cosB cosBo cos(L – Lo)] + + e2 (Nо sinBo – N sinB) sinBo – (No + Ho). 89

Представленные выше основные сведения по сфероидической геодезии позволяют, при проектировании ТИУРЭС, осознанно выбирать те или иные формулы и алгоритмы для электронно-картографического обеспечения разрабатываемой системы. Теперь познакомимся с необходимыми сведениями по картографии. 4.3. Основы картографии К а р т о й называется уменьшенное, обобщенное и построенное по определенным правилам картографирования изображение участков земной поверхности на плоскости [18, 23]. М а с ш т а б о м карты называется отношение длины отрезка линии на карте к длине проекции на референц-эллипсоид соответствующей линии на местности. Масштаб обычно выражается в виде дроби, у которой числитель единица, а знаменатель – коэффициент уменьшения длины линии на местности при изображении ее на карте: например, 1:100 000. Масштаб может быть указан графически (линейный масштаб на полях карты) или словесно: “в 1 см – 100 м” и т. п. В устной речи часто масштаб выражают в форме: "карта – 100-метровка", "километровка" и т. п. При изображении земной поверхности на плоскости возникают нелинейные искажения; поэтому масштаб карты в разных ее частях различный. Установленный для данной карты масштаб точно соблюдается только в отдельных ее частях: обычно вдоль некоторых меридианов и (или) параллелей; этот масштаб называется главным. По своим масштабам карты делятся на крупномасштабные (1:100 000, то есть "в 1 см – 1000 м" – и крупнее); среднемасштабные (от 1:200 000 до 1:1 000 000, то есть "в 1 см – 10 км") и мелкомасштабные (мельче 1:1 000 000). Чем крупнее масштаб карты, тем более точно и полно, с меньшим обобщением (генерализацией) изображены на ней ситуация и рельеф местности. Топографические карты показывают все элементы местности, в том числе горизонтальные проекции контуров и форм рельефа местности; последние – в виде контуров равных высот гладких форм рельефа над принятым геоидом – горизонталей. Если топографическое изображение в 1 см содержит более 100 м расстояния на местности, то оно называется картой; если менее 100 м (от 5 до 50 м) – то планом местности. Топографические карты имеют следующий масштабный ряд: 100-метровка, 250-метровка, 500-метровка, километровка, двух-, пяти- и десятикилометровка. Более мелкомасштабные карты называются географическими. Имеются также навигационные карты и планы. Н о м е н к л а т у р о й карт называется система разграфки и обозначений топографических планов и карт. В основу номенклатуры карт положена между90

народная разграфка листов карты мира масштаба 1:1 000 000 (10-километровка). Листы карты этого масштаба ограничены меридианами и параллелялелями и имеют размеры по широте 4о (ряды), а по долготе 6о (колонны). Ряды обозначаются заглавными буквами латинского алфавита от А до V к северу и к югу от экватора, а колонны – нумеруются арабскими цифрами от 1 до 60: от меридиана с долготой 180о на Восток. Например, Москва попадает в лист N-37, Якутск – в Р-52, а С.-Петербург находится на стыке четырех листов: О-35, Р-35, О-36 и Р-36. Центральные меридианы листов карт 1:1 000 000 совпадают с осевыми меридианами шестиградусных зон координат Гаусса-Крюгера. Связь между номерами колонн и координатных зон определяется формулой: n = W - 30о, где W – номер колонны международной разграфки, n – номер зоны координат Гаусса-Крюгера. Долготы осевых меридианов зон, следовательно, есть: Ln = W×6о – 183о. Правила разграфки топографических карт более крупных, чем 1:1 000 000, масштабов таковы: - границами карт служат меридианы и параллели; - карта 1:1 000 000 делится на целое число среднемасштабных и крупномасштабных карт; - номенклатура этих карт включает номенклатуру карты 1:1 000 000. Например, номенклатура карт 1:500 000 обозначается буквами А, Б, В и Г (N-37-A и т.д.); номенклатура карт 1:200 000 обозначается римскими цифрами (N-37-D; P-52-F и т.д.); карты 1:100 000 (километровки) обозначаются арабскими цифрами от 1 до 144 (N-37-134 и т.д.). Одному листу километровки соответствуют четыре 500-метровки, которые обозначаются русскими буквами в виде: N-37-143-A, P-52-13-Б и т.д. 250-метровки имеют пятипозиционную номенклатуру с русской строчной буквой (а, б, в или г) на конце: N-37-144-А-б. Наконец, 100-метровки имеют номенклатуру вида N-37-144-А-б-3. М е с т н ы е п р е д м е т ы на топографических планах и картах изображаются условными топографическими знаками: масштабными (контурными) и внемасштабными. Масштабные знаки изображают предметы подобными оригиналу и по ним можно определить размеры и форму предметов (в плане). Внемасштабные знаки определяют точку местоположения предмета и его тип (камень, столб, дом, поселок, город и т. д.). На каждом листе топографической карты подписаны широты и долготы углов рамок листа, а сами рамки разбиты на минуты широты и долготы (шкала карты – см. рис.4.3). По этим разбивкам и определяют необходимые координаты точек карты. На топографических картах наносятся также сетки линий абсцисс и ординат проекции Гаусса-Крюгера с интервалом в 1 км (километровые сетки). Проектировщику ТИУРЭС следует также учитывать правовую основу картографии Российской Федерации. Постановлением Правительства РФ N 398

91

от 23 апреля 1994 г. "О некоторых объектах топографо-геодезической службы, относящихся исключительно к федеральной собственности" установлено: "1...К объектам топографо-геодезической службы наряду с другими объектами относятся созданные за счет средств федерального бюджета либо за счет средств союзного бюджета бывшего СССР материалы по созданию и сгущению государственных астрономо-геодезических, нивелирных и гравиметрических сетей... первичные материалы космических и аэросъемок, оригиналы и копии оригиналов топографических, гравиметрических, географических, тематических, специальных, цифровых, электронных и других видов карт, планов и атласов... 2. Установить, что объекты топографо-геодезической службы, указанные в пункте 1..., относятся исключительно к федеральной собственности и не подлежат включению в состав приватизируемого имущества акционируемых предприятий." Для контроля использования топографо-геодезических объектов существует служба Госгеонадзора с центральным управлением в Москве и с системой региональных служб. На использование топографических карт крупнее М 1:100 000 требуется разрешение Госгеонадзора. При этом вопрос об открытом использовании картографических материалов решается исходя из следующих критериев: если материалы дают возможность привязки местоположения объектов к системе координат СК-42 с точностью хуже 70 м, то они являются открытыми; если точность привязки лежит в пределах 35-70 м, то материалы должны иметь гриф "Для служебного пользования"; более точные материалы являются секретными. 4.4. Основы цифровой и электронной картографии. Исходными материалами для цифровой картографии являются топографические цифровые модели местности (ЦММ), то есть участков земной поверхности [5, 11]. Цифровое картографирование местности – это сбор и обработка цифровой картографической информации, формирование на ЭВМ ЦММ, хранение, дополнение и обновление ее в базе картографических данных, получение по ЦММ аналитических и графических материалов. Основные этапы получения цифровых карт: 1. Сбор цифровой информации (аэрофототопосъемка, наземная топосъемка, дигитализация или цифрование имеющихся бумажных карт и планов). 2. Первичная цифровая обработка (вычисление координат и высот, формирование контуров). 3. Формирование ЦММ. 4. Формирование цифровой карты (выделение структур ЦММ, генерализация, формирование условных знаков). 5. Контрольное графическое отображение и редактирование цифровой карты. ЦММ содержит информацию о трех типах элементов местности: 92

- рельеф местности (ЦМРельефа); - ситуация (ЦМСитуации – застройка, контуры и т.д.); - топографические объекты (ЦМТопографических Объектов). Ц и ф р о в а я к а р т а является цифровой к а р т о г р а ф и ч е с к о й моделью части земной поверхности, сформированной с учетом законов картографической генерализации в принятых для карт проекции, разграфке, системе координат и высот (ГОСТ 28441-90 "Картография цифровая. Термины и определения."). Отличие цифровой карты от ЦММ состоит в том, что первая моделирует местность специфическими средствами картографии, а ЦММ – специфическими средствами вычислительной техники. Например, участок дороги в цифровой карте моделируется двумя параллельными линиями либо в аналитической, либо в дискретной форме, а в ЦММ – дискретной моделью опорных точек осевой линии дороги с указанием ширины проезжей части. Цифровая карта имеет единственное назначение: предоставлять пользователю цифровой эквивалент бумажной топографической карты. ЦММ может иметь самые различные применения, в том числе – в ТИУРЭС. Исходным базовым понятием цифрового картографирования является понятие топографического объекта местности. Топографическими объектами являются тела или системы тел естественного и искусственного происхождения, расположенные на (над, под) земной поверхности (дом, квартал, город, дорога, трубопровод, линия электропередач и т. п.). Топографические объекты представляют собой целостные элементы или структуры и, в силу этого, обладают пространственной связностью составляющих их частей. К топографическим объектам относятся только стационарные объекты, имеющие с земной поверхностью физический контакт в течение многих месяцев и лет. Топографические объекты могут быть площадными, полосными, линейными и точечными; простыми или составными. Модель топографического объекта представляет собой совокупность моделей контура и местного предмета. Местные предметы изображаются на топографических картах тремя способами: точками, линиями, полигонами (участками карты, ограниченными замкнутыми контурами). В зависимости от масштаба карты точечным местным предметом может быть столб, озеро, лес, населенный пункт, целый город и т. д. Цифровая модель точечного объекта представляет собой совокупность координат точки местоположения объекта и характеристик объекта: номер точки, код объекта (например, код оси дороги, угла здания, поселка и т.п.), характеристика связи объекта с другими объектами. Цифровая модель контура может быть растровой (матричной) или векторной. Растровая модель контура представляет собой совокупность характеристик всех точек контура, отнесенным к узлам сетки с известными значениями их координат. В векторной модели контур моделируется набором векторов, заданных характерными точками (то есть набор моделей точек с указанием

93

связи их в контуре). Векторная модель – основная, но она требует ручной дигитализации (цифрования). Растровая может быть получена автоматической дигитализацией карт, планов и снимков мелкого масштаба. Дигитализация (цифрование) картографических материалов в настоящее время является самым распространенным и надежным способом получения цифровой топографической и картографической информации. Для геометрической информации существуют три основных способа дигитализации: точечный, отслеживания линий и сканирование. Результатом первых двух является векторная модель, а третьего – растровая модель контуров. Для точечной дигитализации (цифрования) топоинформации, содержащейся на бумажных топографических картах, применяются специальные электронные планшеты – дигитайзеры. Дигитайзер представляет собой планшет, на поверхности которого закрепляется топографическая карта. По карте вручную или механически перемещается специальный прицел-“мышка”), который может быть установлен относительно точек карты с точностью ±0,05 мм. Прицел связан с электроникой дигитайзера, а последний – с компьютером. Перед дигитализацией прицел наводится на углы оцифровываемой карты – компьютер строит дигитайзерную систему координат. Далее все отмечаемые точки автоматически получают свои дигитайзерные (пикселные) координаты. При отслеживании линий дигитайзер автоматически вводит в компьютер соответствующую цифровую картографическую информацию об этой линии. Сканирование производится с помощью специальных ручных или автоматизированных сканеров, в которых при пропускании карты мимо светочувствительных элементов получается оцифрованная поточечная развертка картографического изображения, аналогичная кадровой развертке в цифровом телевизоре. Затем, на основе оцифрованной топоинформации, строится цифровая модель местности. ЦММ строится путем многократного преобразования топоинформации и последовательного формирования моделей простых и составных элементов местности и ЦММ в целом. Точка представляется в виде значений прямоугольных координат в заданной системе координат. Контур представляется в виде плоского ориентированного раскрашенного графа, дуги (вершины) которого соответствуют частям контура, узлы (вершины) – точкам концов этих частей, а раскраска означает: прямолинейная эта дуга или криволинейная. Дуги графа ориентируют так, чтобы точки модели объекта в окрестности дуги оставались, например, всегда слева. Ориентирование дуги имеет смысл для площадных объектов, когда одна дуга является границей двух объектов. На основе ЦММ формируется цифровая топографическая карта. Цифровые топографические карты записываются в базы картографических данных, которые хранятся в банках цифровых карт. Б а з а д а н н ы х – это организованная совокупность связанных между собой данных, структура которой независима от обрабатывающих эти данные программ пользователей.

94

Б а н к д а н н ы х есть совокупность базы данных, системы управления базой данных (СУБД), специальных программ пользователей, предназначенных для обращения в базу данных (к цифровой картографической информации), и системы администрирования банка и базы данных. Программы пользователей содержат три основные программы: - программы формирования модели контура; - программы формирования модели объекта; - программы формирования модели местного предмета. На основе банков цифровых карт создаются различные цифровые географические информационные (геоинформационные) системы (ГИС), предназначенные для различных пользователей топогеографической информации. На основе различных ГИС создаются электронные карты, то есть пакеты прикладных программ, которые позволяют отображать на дисплее данного персонального компьютера цифровые карты земной поверхности, а также анализировать их и решать различные картографические задачи с использованием дополнительной информации, в том числе – отображать текущее местоположение НТС. За рубежом в 1990-х годах была создана целая индустрия цифровых автодорожных карт (ЦАДК) для РЭС сухопутной навигации. Совместно с пакетом прикладных программ пользователя и банком картографических данных ЦАДК образуют электронно-картографическое обеспечение ТИУРЭС с программными средствами визуализации и диалога с данным персональным компьютером. Электронно-картографическое обеспечение (ЭКО) ТИУРЭС предназначено для выполнения следующих четырех основных функций [33]: - адресная привязка (переход от геодезических координат к адресу объекта и обратно – с точностью до 15 м) посредством геодезического кодирования (geocoding); - прокладка оптимального маршрута НТС (pathfinding); - припассовка (подгонка) к карте (переход от геодезических координат НТС и (или) данных датчиков счисления пути к его точному месту на городской улице – map matching); - проводка по маршруту (route guidance). Одной из первых фирм, разработавших ЦАДК для ТИУРЭС, является американская корпорация "Etak", которая в 1984 г. включила ЭКО в свою систему "Navigator". В настоящее время за рубежом разработкой ЭКО для ТИУРЭС занимается целый ряд фирм. Ведущими являются пять из них: японская "Japan Digital Road Map Association" (JDRMA), американские "Etak", "Navigation Technologies" (NavTech), европейская "European Geographic Technologies" (EGT) и международная ассоциация "European Data Pool" (EDP), объединившая фирмы "Bosch", "TeleAtlas" и "Etak". Цифровые карты производят также "Geographic Data Technology" (GDT) – из Нью Хэмпшира, "De Lorme

95

Mapping" – из Майна, "MapInfo" – из Нью-Йорка, "GeoSystems" – из Пенсильвании, "Roadnet Technologies" – из Мэриленда и др. ЦАДК являются составной частью картографической базы данных ГИС, которая, в свою очередь, входит в состав программно-картографического обеспечения ТИУРЭС и обеспечивает в ТИУРЭС также двустороннее динамическое взаимодействие операторов с базой картографических данных в форме электронных карт (человеко-машинный интерфейс). С помощью электронной карты оператор ТИУРЭС может добавлять или убирать информацию с экрана, менять масштаб и проекцию, получать псевдообъемные, псевдоцветные и динамические геоизображения, использовать дисплейные эффекты, проводить автоматическую картометрию (определение координат и направлений, расстояний и длин, площадей и объемов) и т. п. Электронная карта позволяет применять интерактивный (диалоговый) режим работы с картографическими данными, описаниями и оперативной информацией. Электронная карта обычно организуется как множество слоев (покрытий): гидрография, рельеф, дорожная сеть, лесопокрытие, линии электропередач и т. п. Примером коммерческой электронной карты является цифровая карта мира (суши) "Digital Chart of the World" фирмы ESRI. Эта карта создана на основе тактических навигационных карт Министерства обороны США масштаба 1:1 000 000 и выполнена в формате ArcInfo. Карта помещена на четырех дисках CD-ROM (объем данных – 1,7 Гбайт), разбита на 2094 листа размером 5о×5о. Число тематических слоев – от 3 до 27. Для просмотра и работы с картой можно использовать любой ГИС-пакет фирмы ESRI. Широко распространен также формат MapInfo. При использовании электронных карт возникает еще одна система координат: дисплейных. Экран дисплея разбит на ячейки (пикселы), которые упорядочены по строкам и столбцам. Это порождает дискретную плоскую систему дисплейных прямоугольных координат (xд, yд). Поэтому в ГИС, используемых в ТИУРЭС, предусматриваются программы выбора необходимого для отображения НТС участка цифровой карты местности, соответствующего преобразования координат Гаусса-Крюгера (x, y) или Меркатора в дисплейные координаты (xд, yд) и отображения местоположения НТС на фоне электронного изображения соответствующего участка местности. 4.5. Основные сервисные программы в системах ТИУРЭС [33, 42, 46] Основными сервисными программами ТИУРЭС являются следующие: - система адресной привязки городской территории (address matching); - подпрограмма припассовки (подгонки) маршрута движения НТС к цифровой автодорожной карте местности (map matching); - прокладка оптимального маршрута следования НТС к месту назначения (best route calculation = pathfinding); - проводка НТС по маршруту (route guidance). 96

Десятки фирм разрабатывают и выпускают банки данных цифровой картографии различных территорий и различного назначения (географические информационные системы = ГИС). Первоначально ГИС создавались как цифровые эквиваленты географических и топографических карт местности и предназначались для современного картографического обеспечения топографических съемок, геодезических и кадастровых работ, гравиметрических измерений, инженерно-геодезических работ, выпуска актуальных картографических изданий и т. п. Основными требованиями к ГИС являлись высокая точность привязки цифровых моделей местности к государственной геодезической сети, полнота представления рельефа местности и местных предметов, соответствие принятой картографической номенклатуре и т. д. Поэтому цифровые модели местности в ГИС статичны и содержат множество цифровых слоев, которые в принципе могут последовательно разворачиваться при актуализации цифровых карт на дисплее водителя НТС или на мониторе персонального компьютера радиооператора РСДУ. Однако программное построение таких ГИС не позволяло удовлетворять требования, предъявляемые к электронно-картографическому обеспечению со стороны пользователей ТИУРЭС и непосредственно использовать их для программно-математического обеспечения БКСН, БРЭК и ДЦ РСДУ. Основные требования, предъявляемые к ЭКО ТИУРЭС, следующие: простота использования картографической информации, работа электронно-картографического обеспечения в реальном масштабе времени, обслуживание основных сервисных программ. В то же время, потенциальных пользователей ГИС оказалось такое многообразие, что понятие ГИС существенно расширилось и разнообразные пакеты прикладных программ (ППП) ГИС объединяет в настоящее время только один признак: пространственно-территориальная привязка объектов. Были разработаны также ППП для создания самими пользователями ГИС необходимых им видов и версий. Наиболее популярной является разработанная в начале 1990-х годов американской фирмой "Mapping Information System Corporation" ГИС "MapInfo". ППП "MapInfo" предназначен для обработки и анализа пространственной информации. Система "MapInfo" представляет собой банк данных с картографическим интерфейсом. "MapInfo" позволяет создавать собственные электронные карты. Графический редактор позволяет проводить различные манипуляции с электронными картами пользователя, вплоть до создания собственных картографических проекций и распечатки карт местности. "MapInfo" работает на платформах "Windows 3.1" и выше. Адресная привязка ЦАДК. Адресная привязка ЦАДК, называемая также географическим кодированием (geocoding), – это процедура идентификации уличного адреса городского объекта по заданной его широте и долготе (или по координатам ГауссаКрюгера) и наоборот.

97

Адресная привязка требует, чтобы названия улиц и номера домов были принадлежностью ЦАДК. Положение улиц и перекрестков в ЦАДК должно храниться в цифровом виде в определенной системе координат, которая должна соответствовать выбранной для координатного обеспечения ТИУРЭС. По заданным координатам объекта подпрограмма адресной привязки находит ближайшую улицу по величине нормали к ней. Номера домов обычно хранятся в цифровой модели местности относительно дуг между двумя соседними узлами ЦАДК. Заданный координатами адрес находится линейной интерполяцией между номерами домов, расположенных на двух найденных узлах ЦАДК (перекрестках улиц). В лучшем случае адресная привязка должна иметь точность не хуже 15 м. Поскольку длины домов могут быть различными, а дома не располагаться последовательно вдоль городских улиц, то простая линейная интерполяция по узлам ЦАДК может не дать требуемой точности адресной привязки. Поэтому построение алгоритма адресной привязки для данного города – задача не простая и решается эвристически исходя из вида городской застройки, способа нумерации домов, конфигурации автодорожной сети города и т. д. Такой алгоритм является "know how" разработчика ТИУРЭС. Припассовка (подгонка) к цифровой карте местности. Навигация автодорожных НТС из одного места до другого значительно отличается от морской и воздушной навигации, так как НТС в основном удерживается на конечной сети улиц и дорог, лишь случайно отклоняясь в переулки, на стоянки и т.п. Это позволяет применить вычислительные алгоритмы, использующие информацию дорожной карты, хранящиеся в цифровой форме, чтобы находить соответствие траектории НТС (приближенно определяемые с помощью счисления пути или других навигационных средств) с цифровой картой, чтобы сохранять точное знание местоположения НТС на определенной дорожной сети. Имеющий общее название “припассовка (подгонка) к карте” (ММ = map matching), этот процесс используется в большом разнообразии современных и перспективных систем для навигации НТС и дорожной проводки, а также, в соединении с радиоканалами передачи данных, для дистанционного контроля местоположения НТС из диспетчерских или управляющих центров. Вероятно, метод ММ родился независимо и почти одновременно в течение двух лет в начале 1970-х гг. как результат предварительных исследований при разработке проектов ARCS и FLAIR – в США и LANDFALL – в Великобритании. Дальнейшее развитие этих оригинальных систем ввело в технологию разработки ТИУРЭС основную концепцию ММ, обеспечило экспериментальную проверку этих полудетерминистских алгоритмов и сформировало основу для дальнейшего развития вероятностных алгоритмов ММ. С помощью вероятностного алгоритма ММ фирме "Etak" удалось получить точность местоопределения НТС на городской автодорожной сети около 25 м. Японская фирма "Nippondenso" в экспериментальной системе ТИУРЭС "MAPIX-III" впервые комплексировала метод ММ с показаниями приемо98

измерителя СРНС "Navstar", а группа Э. Кракивского из канадского университета в г. Калгари провела исследование возможности использования калмановской фильтрации данных одометра, компаса и ПИ РНС в алгоритмах ММ. Прокладка оптимального маршрута. Перед тем, как водитель НТС начнет свое передвижение из места его расположения А в требуемую точку назначения В, программно-математическое обеспечение ТИУРЭС может предложить ему на электронной карте местности маршрут следования. Для этого в БРЭК или в ПК радиооператора необходимо ввести координаты точек А и В, критерий оптимальности маршрута, промежуточные точки маршрута, характеристики НТС (класс, масса, высота, ширина, длина). С помощью электронно-картографического обеспечения процессор ТИУРЭС строит направленный окрашенный граф автодорожной сети города, соответствующий данным характеристикам НТС, и запускает подпрограмму прокладки оптимального маршрута следования (path finding) НТС из точки А в точку В через промежуточные точки. Первый алгоритм прокладки кратчайшей траектории на графе известен как алгоритм Дийкстры (Dijkstra). Для реализации алгоритмов прокладки маршрута требуется соответствующая цифровая автодорожная карта. Алгоритмы нахождения оптимального маршрута движения по дорожной сети условно делятся на строгие и эвристические. Строгие алгоритмы обладают двумя существенными недостатками: необходимость заполнения большого объема промежуточных результатов и выполнения огромного числа машинных операций. Эвристические алгоритмы достаточно хорошо работают на простых автодорожных сетях типа дорожной решетки. Однако если эта сеть разбивается на блоки, связанные между собой одной-двумя улицами (например, районы города, расположенные на разных берегах реки или на островах, связанных между собой небольшим количеством мостов), или имеет тупиковые улицы, или включает объезды клинообразных непроезжих зон типа подъездных железнодорожных веток, оврагов, заливов, озер и т. п., то простые эвристические алгоритмы работают нерационально и выдают маршрут следования, далекий от оптимального. В этом случае следует разбивать автодорожный граф на подграфы и искать варианты точек выхода и входа этих подграфов; затем строить варианты маршрутов пересечения этих подграфов и следования внутри оконечных подграфов к точкам А и В и, наконец, из построенных участков маршрута составлять варианты общего маршрута следования из точки А одного подграфа в точку В другого и из них выбирать маршрут, имеющий наименьшую из построенных вариантов маршрутов длину (или время прохождения). Разработка такого алгоритма – задача не формализуемая, а ее решение зависит от конкретных условий применения РСДУ и квалификации программистов, разрабатывающих программно-математическое обеспечение ТИУРЭС. Найденное программистами решение проходит испытание на автодорожной сети данной территории и обычно является "know how" разработчиков ПМО: их интеллектуальной собственностью. Эффективность эвристических алгоритмов 99

прокладки маршрута должна определяться статистическим моделированием на цифровой модели автодорожной сети данного города или местности при всевозможных расположениях точек А и В на обслуживаемой РСДУ территории. Проводка НТС по заданному маршруту. Алгоритмы проводки НТС по маршруту (route guidance) могут быть пассивными и активными. Пассивные алгоритмы проводки отслеживают движение НТС по произвольно выбранному самим водителем НТС маршруту и информируют его (желательно – с помощью синтезатора речи), например, о названиях улиц, по которым следует НТС, к которым оно приближается или которые оно пересекает. При этом алгоритм должен учитывать скорость движения НТС и сложность дорожно-транспортной инфраструктуры с тем, чтобы вовремя проинформировать водителя. Такой алгоритм можно назвать дорожным сопровождением НТС. Активные алгоритмы проводки отслеживают движение НТС и сравнивают фактический маршрут движения с построенным алгоритмом прокладки маршрута или водителем (ручная прокладка маршрута). При этом алгоритм должен своевременно (за 50-750 м до перекрестка) информировать водителя о предстоящих маневрах: "на следующем перекрестке следуйте прямо", "займите правый ряд: на предстоящем перекрестке – поворот направо", "перестройтесь в левый ряд: на следующем перекрестке – поворот налево (разворот)" и т. п. Если водитель НТС отклонился от маршрута, алгоритм проинформирует его об этом и запросит разрешение на запуск алгоритма построения оптимального проезда на прежний маршрут, а после подтверждения запроса и завершения работы этого алгоритма – продолжит (активную) проводку НТС по откорректированному маршруту. При этом наиболее перспективным техническим средством взаимодействия БРЭК или БКСН с водителем при динамической проводке НТС по маршруту являются синтезаторы-анализаторы речи, которые разрабатывает ряд радиоэлектронных и компьютерных фирм мира. Контрольные вопросы Общая структура программного обеспечения ТИУРЭС и его назна-

1. чение. 2. Понятия геоида и референц-эллипсоида, основные картографические проекции. 3. Системы координат СК-42, WGS 84 и СК-95. 4. Общие сведения о картографии. 5. Цифровое картографирование и электронные карты в ТИУРЭС. 6. Основные сервисные программы ТИУРЭС.

100

5.Системотехническое проектирование и управление реализацией малого проекта ТИУРЭС В разд.1 были перечислены основные виды эксплуатационно-технических характеристик, подлежащих количественному определению в процессе системотехнического проектирования конкретной РСДУ. Исходя из этих характеристик рассчитываются или определяются обычными методами системотехнического проектирования радиотехнических систем основные системные параметры РСДУ. Например, исходя из определенной дальности действия диспетчерского центра (ДЦ), помеховой обстановки на обслуживаемой РСДУ территории и выделенной полосы частот радиосвязи рассчитывается требуемая мощность излучения стационарной радиостанции ДЦ, высота ее антенномачтового устройства, чувствительность приемника мобильной радиостанции НТС и т. д. Исходя из фактической доступности сигналов РНС, выбранной для координатного обеспечения РСДУ, и режимов передвижения на данной территории обслуживаемых системой НТС рассчитывается максимальное или среднее значение времени отсутствия радионавигационного обеспечения и допустимую потерю точности местоопределения НТС. Последние параметры определяют выбор технических средств поддержки датчика радионавигационной информации НТС (типы одометра, компаса или гироскопа и т.д.), что, в свою очередь, повлияет на технико-экономические показатели БРЭК и общую стоимость аппаратуры и программного обеспечения РСДУ. При системотехническом проектировании городских РСДУ возникает специфическая для них задача обеспечения различной требуемой точности НТС в центре города, на его окраинах и в пригородах (расчет параметров локальной дифференциальной подсистемы координатного обеспечения РСДУ). Кроме того, окончательное решение о дальнейшей реализации системотехни-ческого проекта РСДУ зависит от ожидаемой технико-экономической эффек-тивности применения предполагаемой РСДУ в конкретных условиях исполь-зования ее Заказчиком. Расчетом технико-экономической эффективности при-менения предлагаемой РСДУ должен заканчиваться ее системотехнический проект. Однако системотехнический проект РСДУ должен составлять органическую часть технической документации, соответствующей современной организационно-производственной системе организации и управления проектами – Project Management. Поэтому специалист по системотехническому проектированию РСДУ должен иметь достаточно четкое представление о современных методах управления проектами. Ниже даются общие сведения о менеджменте применительно к аппаратостроению. «Project Management [PM] – современная методология организации и управления проектами в различных сферах созидательной деятельности, развитая в последние тридцать лет XX в. на Западе и хорошо зарекомендовавшая себя во всем мире как мощное средство эффективной реализации разнообразных проектов. При этом под проектом в PM понимается намерение

101

осуществить целенаправленное изменение определенной материальной системы (технической, организационной, экономической, социальной и др.), требующее затрат времени и ресурсов» [8]. В предыдущих разделах давались сведения в основном по системотехническому проектированию ТИУРЭС различного назначения, что составляет содержание раздела бизнес-плана «Характеристика продукта проекта». Проект-менеджер должен уметь сформировать и остальные разделы бизнесплана: от анализа состояния и развития рынка ТИУРЭС – до стратегии финансирования и юридического обеспечения проекта. Рассмотрим элементы общего менеджмента и прикладного проект-менеджмента. 5.1. Основные понятия общего менеджмента [4, 8, 17] Любой проект является органическим единством четырех фаз (этапов) его развития: • замысел, постановка целей работы, подготовка к запуску работ по реализации проекта (Concept Phase); • разработка необходимой документации проекта и запуск его реализации (Development Phase); • реализация (осуществление) проекта (Implementation Phase); • завершение проекта, то есть достижение поставленных целей (ввод в эксплуатацию продукта технического проекта, внедрение в серийное производство и т. п. – Termination Phase). На каждом из этих этапов руководитель проекта (project manager – проект-менеджер) должен пользоваться соответствующими научно-практическими методами управления процессом реализации проекта. Современный проект-менеджер организует выполнение следующих основных работ: 1. определение и обоснование цели проекта; 2. выявление общей структуры проекта (задачи, этапы работ, содержание основных работ по этапам и т. д.); 3. определение ориентировочных объемов и источников финансирования проекта; 4. подбор команды управления и исполнителей проекта; 5. подготовка и заключение соответствующих контрактов (договоров); 6. составление начального графика реализации проекта; 7. расчет необходимых ресурсов; 8. проведение калькуляции и анализа затрат на реализацию проекта; 9. планирование и учет рисков на отдельных этапах его реализации; 10. организационное управление процессом реализации проекта с постоянным контролем и корректировкой хода работ.

102

Первые пять видов работ выполняются на начальной фазе развития проекта за счет собственных средств инициатора проекта или за счет внешнего кредитования проекта. На начальной фазе проекта на первый план выступают маркетинговые исследования, в результате проведения которых даются прогнозы по следующим направлениям: • перечень потенциальных потребителей и пользователей предполагаемой системы ТИУРЭС и причин, по которым они будут готовы ее приобрести; • ориентировочные цены на аппаратуру ТИУРЭС и динамика их изменения; • способы распространения предполагаемой аппаратуры ТИУРЭС; • репутация проекта и возможность противостояния действиям потенциальных конкурентов (оценка конкуренции). Такое разнообразие работ по управлению проектом на начальной фазе его развития (которые, при этом, имеют чрезвычайно важное значение для обеспечения успешного проведения дальнейших работ по реализации проекта и для достижения цели проекта) проводится одновременно с системотехнической проработкой общего облика базового образца системы ТИУРЭС и с теоретической оценкой ожидаемых эксплуатационно-технических характеристик системы. Начальная фаза очень слабо формализуется и структурируется. Обычно работы по формированию проекта и по управлению процессом его создания неразрывно связаны между собой. Однако уже на этой фазе следует различать работы по управлению техническим проектом (project management) и по разработке соответствующего ему технического продукта (engineering). В фазе разработки технического проекта и запуска его реализации это различие следует сформировать и документально зафиксировать. На начальной же фазе проекта для продукта проекта необходимо разработать его схему деления и спецификации (структурный план продукта). В настоящее время специалистов-менеджеров готовят финансово-экономические и инженерно-экономические кафедры, факультеты и ВУЗы. Однако следует учитывать, что существует принципиальное различие между этими менеджерами и проект-менеджерами. Подготовка тех и других базируется на дисциплине «Общий Менеджмент» (General Management), дающей научнопрактические основы управления трудовыми и материальными ресурсами в условиях современной рыночной экономики. На Общем Менеджменте базируются два научно-практических направления: • «Бизнес Менеджмент» (Business Management), в рамках которого готовятся специалисты по управлению деятельностью коммерческих организаций, направленной на получение максимальной прибыли; именно бизнесменеджеров обычно подразумевают под термином «менеджер»; 103

• «Проджект Менеджмент» (Project Management), в рамках которого готовятся инженерно-технические специалисты по управлению реализацией (в частности – технических) проектов; их деятельность направлена на организацию эффективного прохождения проекта от его замысла до завершения. Прединвестиционная фаза реализации данного технического проекта заканчивается созданием специального документа, называемого Бизнес-планом проекта, который разрабатывается командой проекта во главе с проект-менеджером. На основании Бизнес-плана принимается решение о начале процесса реализации предлагаемого проекта (инвестиционная фаза проекта), к которому и приступает сформированная команда проекта. Таким образом, начальная подготовка проект-менеджеров в данной технической области требует, прежде всего, соответствующей профессиональной подготовки, а затем – овладения на ее основе научно-практическими знаниями по проект-менеджменту применительно к этой области. Общий Менеджмент имеет дело с методами управления организацией. Под организацией понимается группа людей, деятельность которых сознательно координируется для достижения общей цели. В Бизнес-менеджменте целью является прибыль, в Проект-менеджменте – реализация проекта, в том числе и создание новой или реструктуризация «старой» организации. Организация как система состоит из пяти основных взаимосвязанных компонентов: Технологии и ресурсы Сотрудники –––––– Цели –––––– Структура управления Задачи Цели – желаемый результат, которого стремятся достигнуть сотрудники организации. Структура управления – элементы и логические связи уровней управления и функциональных элементов организации. Задачи – совокупность работ, которые должны быть выполнены заранее определенным способом в оговоренные заранее сроки. Технологии и ресурсы – сочетание профессиональных навыков сотрудников, оборудования, инфраструктуры, инструментов и соответствующих знаний, необходимых для решения задач организации. Коммерческая организация обычно переживает пять фаз, которые различаются по тактическим целям и по соответствующим им задачам, методам руководства и стимулирования.

104

Например, при «рождении» организации целью является выживание, задачей – выход на рынок, методом руководства – демократическое единоначалие в группе энтузиастов, стимулирования – общие успехи (моральное). В то же время, на этапе «зрелости» основной целью организации является стабильный рост и создание имиджа организации, задачей – расширение рыночной ниши и захват новых рынков, руководство – децентрализованное, а стимулирование – индивидуальное премирование. Основными функциями аппарата управления организацией являются: • планирование деятельности работников, • организация их деятельности, • мотивация (стимулирование) работы сотрудников, • контроль деятельности организации. Следует обратить внимание на то, что под мотивацией в менеджменте понимается процесс побуждения (стимулирования) себя и других к деятельности, направленной на достижение личностных целей в русле целей организации в целом. Под контролем – сопоставление текущего фактического состояния дел с запланированным и разработка мероприятий по корректировке деятельности организации. Под управлением проектом в Проект-менеджменте понимается процесс организации взаимодействия и координирования трудовых и материальных ресурсов на протяжении всего жизненного цикла проекта: от его замысла до воплощения – с применением современных методов и способов Проект-менеджмента с целью достижения сформулированного в проекте результата и удовлетворения ВСЕХ участников проекта. То, что в русскоязычных странах традиционно называется «техническим проектом» (совокупность технической документации и макетов), в проектменеджменте называется «дизайном» (design). 5.2.

Управление малым техническим проектом [8]

В проект-менеджменте технические проекты подразделяются на малые, большие и мегапроекты. Малые проекты требуют капиталовложений (в условиях американской экономики) до 10-15 млн. дол. и 40-50 тыс. чел.-часов трудозатрат. В российских условиях следует понизить эти границы, по крайней мере, на порядок. Малые проекты допускают ряд упрощений в организации и управлении. Однако следует помнить, что малые проекты требуют: • точного расчета объемов работ и затрат по ним, • единоначального управления, • гибкости организации команды проекта и взаимозаменяемости ее членов, • простоты графика проведения работ по проекту, • четкости выдачи заданий исполнителям, 105

• постоянства команды проекта – вплоть до его завершения. Промежуток времени между моментом появления проекта и моментом его ликвидации называется ЖИЗНЕННЫМ ЦИКЛОМ проекта. Под моментом появления проекта следует понимать тот день, когда будущий проект-менеджер, или будущий Заказчик, или бизнес-менеджер, или иное лицо либо группа лиц осознали основное существо проекта и необходимость его осуществления – и начали действовать. Жизненный цикл проекта, с точки зрения взаимодействия основных участников проекта, подразделяется на три основных фазы: прединвестиционная, инвестиционная и эксплуатационная. Прединвестиционная фаза начинается замыслом проекта и имеет следующие этапы: • анализ проблемы, ее реализуемости и инвестиционных возможностей (Identification); • разработка концепции проекта (технического предложения) и его технико-экономического обоснования (ТЭО – Feasibility Study); • разработка бизнес-плана проекта и его резюме (Appraisal Report) или Технического задания на разработку проекта. Инвестиционная фаза начинается после определения основных участников технического проекта и имеет следующие этапы: • переговоры участников проекта и заключение контрактов (Negotiating and Contracting); • системотехническое проектирование (Engineering Design) – эскизное, техническое, рабочее; • создание технического продукта проекта; • подготовка к реализации продукта на рынке (Pre-Production Marketing); в случае проекта ТИУРЭС – ввод радиосистемы в опытную эксплуатацию; • обучение обслуживающего радиосистему персонала (Training). Эксплуатационная фаза проекта включает приемо-сдаточные испытания (Commissioning), запуск в эксплуатацию (Start) и дальнейшее сопровождение и модификацию радиосистемы. При этом на этапе разработки ТЭО важно определить структуру трех составляющих проекта: его продукта (схема деления изделия), этапов работ по проекту (структура жизненного цикла) и организации управления проектом (дерево целей и дерево решений). В общем случае участников технического проекта (физических или юридических лиц) – восемь: • Заказчик – пользователь продукта проекта или будущий его владелец. • Подрядчик – юридически отвечающий за результаты реализации проекта в целом. • Инвестор – вкладчик начальных материальных средств. • Проект-менеджер с командой менеджеров по направлениям.

106

• Инжинир – тот, кто проводит инжиниринг (составление плановых документов, разработка проектных и конструкторских документов, проведение испытаний продукта проекта, приемка и сертификация продукта проекта). • Консультант – специалист в соответствующей области науки и техники. • Лицензиар – тот, кто дает разрешение на использование в проекте своих «ноу-хау». • Банк – который проводит все финансовые операции по проекту. Разработка концепции проекта ТИУРЭС, например, РСДУ проводится небольшой группой специалистов – будущих менеджеров проекта – с привлечением представителей будущего Заказчика. Сначала формулируется замысел проекта: назначение РСДУ, пользователи РСДУ, обслуживаемая РСДУ территория, возможный технико-экономический эффект применения РСДУ и критерий эффективности. Для формирования замысла проекта разрабатывается ряд возможных ее вариантов и проводится их экспертная оценка. В результате четко формулируются цели и задачи проекта: это будет первый официальный документ проекта – Замысел проекта. Затем формируются основные характеристики проекта РСДУ: • наличие вариантов технических решений; • продолжительность реализации проекта, в том числе его инвестиционной фазы; • оценка уровня базовых, текущих и прогнозируемых цен на компоненты РСДУ; • сложность проекта; • исходно-разрешительная документация для реализации проекта; • возможности инвестиций проекта; • оценка соотношения затрат и результатов реализации проекта. По основным характеристикам проекта проводится экспертная оценка его осуществимости. При положительной оценке формулируется второй официальный документ проекта: Резюме проекта. Он включает четыре основных раздела: • цель проекта; • существо проекта и варианты его реализации; • организационные, финансовые и другие проблемы, которые необходимо учесть и решить в дальнейшем; • мероприятия по разработке проекта. Резюме проекта представляется потенциальному Инвестору, который оценивает приемлемость замысла. Замысел считается приемлемым, если проект: а) технологически достаточно просто осуществим, б) долгосрочно жизнеспособен, в) технико-экономически эффективен, г) жизненно необходим потенциальному Заказчику, д) организационно и административно обеспечен. 107

При положительной оценке замысла проекта Инвестор формирует третий официальный документ проекта: Замысел инвестора, в котором определяются интересы Инвестора в данном проекте. После согласования Резюме проекта и Замысла инвестора с Заказчиком РСДУ формируется четвертый документ: Декларация (протокол) о намерениях. В этой декларации формулируются следующие позиции: 1. Инвестор – адрес, реквизиты. 2. Заказчик РСДУ – адрес, реквизиты. 3. Территория развертывания РСДУ. 4. Исполнитель (Подрядчик) проекта, его административно-технические характеристики. 5. Назначение, технический облик РСДУ, ее эксплуатационно-технические характеристики (Техническое предложение). 6. Прогнозируемая численность и состав разработчиков и исполнителей проекта, их квалификация и наличие, предполагаемая зарплата. 7. Потребности в материалах, комплектующих, оборудовании; источники снабжения и цены. 8. Потребности в производственных помещениях, их наличие, возможность аренды, стоимость амортизации или аренды. 9. Транспортное обеспечение и его стоимость. 10. Источники финансирования. 11. Сроки реализации проекта по этапам. Оценка стоимости проекта по этапам. 12. Дальнейшее использование РСДУ Заказчиком, компенсация затрат и прибыль Инвестора. После согласования и утверждения Декларации о намерениях формируется официальная команда проекта, которая приступает к разработке главного документа прединвестиционной фазы: Бизнес-плана проекта. Бизнес-план малого технического проекта обычно состоит из титульного и второго титульного (шмуцтитульного) листов, резюме, семи разделов и приложений. На титульном листе указывается название и адрес Подрядчика, Фамилия И. О. директора, учредители, номера необходимых для связи телефонов, телефакса, электронной почты, название проекта и его шифр (символическое название), цель проекта, продукт проекта, его стоимость и необходимое финансирование, место разработки Бизнес-плана и дата разработки (месяц, год). На втором титульном листе помещается информация о сути проекта, об ожидаемых результатах его реализации, условиях кредитования и гарантиях возврата кредита. Там же помещается меморандум о конфиденциальности (предуведомление о неразглашении сведений Бизнес-плана) и список разработчиков Бизнес-плана. Резюме разрабатывается после завершения остальных разделов и является аннотацией проекта. 108

Далее в Бизнес-плане помещаются следующие разделы: • анализ положения дел в рассматриваемой области техники, • техническая характеристика (эскизный проект) продукта проекта (в данном случае – ТИУРЭС), • оценка рынка компонентов ТИУРЭС и конкуренции на нем, • производственный план проекта, • организационный план проекта и его информационное обеспечение, • оценка степени риска проекта и мероприятия по его минимизации, • финансовый план проекта и стратегия его финансирования, • юридическое обеспечение проекта. В приложениях даются копии контрактов, лицензий, патентов, первоисточников, прейскурантов поставщиков и т.п. Вместо Бизнес-плана в случае разработки конкретной РСДУ команда проекта вначале разрабатывает проект Технического задания (ТЗ) на создание РСДУ. ТЗ на РСДУ определяет цель создания системы, условия ее функционирования и основные функциональные возможности системы. Определяются возможные исполнители вновь разрабатываемых компонентов системы, поставщики материалов и комплектующих изделий. Формулируется структура системы, состав ее подсистем и бортовых комплексов. Определяются предварительные эксплуатационно-технические требования к системе и аппаратуре ее составных частей: технические, конструктивные, технологические, по надежности, по безопасности эксплуатации, по обслуживанию и ремонту, по технической эстетике и эргономике (удобству работы операторов системы). Прогнозируются сроки создания системы, этапы и содержание работ по этапам. Перечисляется эксплуатационно-техническая документация, необходимая для предъявления системы Заказчику, ее приемо-сдаточных испытаний и дальнейшей эксплуатации. На основании проекта ТЗ определяются конкретные пути реализации проекта создания РСДУ, проводится анализ состояния развития радиосистем дистанционного управления во всем мире, в России и в данном регионе, дается общий технический облик предлагаемой Заказчику РСДУ, приводятся ее функциональные возможности и обосновывается необходимость внедрения такой РСДУ в определенных транспортно-технологических операциях, для чего проводится оценка технико-экономической эффективности применения системы в службах Заказчика. Далее, уже вместе с Заказчиком, определяется информационная инфраструктура территории, на которой будет эксплуатироваться система (наличие территориальной системы сухопутной подвижной радиосвязи, сопряженность ее с телефонной сетью и с междугородными телекоммуникационными системами, особенности радионавигационного обеспечения территории, необходи109

мость и возможность создания дифференциальной подсистемы координатного обеспечения, наличие территориальной службы «Авторадио» и т. п.), а также основные режимы ее функционирования и эксплуатационно-технические требования, предъявляемые к разрабатываемой РСДУ. На этом основании уточняется и согласуется с Заказчиком Техническое задание на создание РСДУ. Техническое задание (ТЗ) на разработку РСДУ содержит титульный лист, разделы ТЗ, последний лист и приложения. Титульный лист содержит согласующие и утверждающие подписи представителей Исполнителя и Заказчика, логотип “ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ на разработку системы «название РСДУ»”, шифр (краткое условное название или девиз разработки), город, год. Раздел 1 – Основание для выполнения работы (договор, контракт, постановление ведомства Заказчика и т. п.). Раздел 2 – Цели (окончательные результаты работы) и задачи (промежуточные цели работы). Раздел 3 – Требования к выполнению работы (назначение системы, условия ее эксплуатации, элементная база, уровень проработки отдельных вопросов, условия, которые должны быть учтены при разработке и т. п. ). Раздел 4 – Эксплуатационно-технические требования к системе. Раздел 5 – Этапы работы, содержание работ по этапам и результаты работ на каждом этапе. Раздел 6 – Требования к разрабатываемой технической и программной документации. Раздел 7 – Порядок приемо-сдаточных испытаний и приемки работы в целом. Раздел 8 – Требования по конфиденциальности работы (какие сведения о работе и о ее результатах какому кругу лиц могут быть доступны). Последний лист (как окончание раздела 8) содержит подпись основного разработчика ТЗ, а также согласующие подписи специалистов, участвовавших в разработке (от Заказчика) и согласовании (от Исполнителя) отдельных разделов ТЗ. 5.3. Оценка необходимой точности навигационного обеспечения ТИУРЭС Разработка эксплуатационно-технических требований к проектируемой РСДУ должна содержать определение необходимой и достаточной точности ее навигационного обеспечения. Специфика процесса автоматизированного управления движением объектов в РСДУ заключается в том, что информация о текущем местоположении любого наземного транспортного средства (НТС), извлекаемая на борту НТС из сигналов РНС и передаваемая по каналу радиосвязи на диспетчерский центр (ДЦ) в виде значений плановых координат НТС, должна правильно отображаться на электронной топографической карте-схеме (ЭТКС) 110

обслуживаемой ДЦ территории. В городских РСДУ используются ЭТКС различных масштабов (от 1:50 000 до 1:5 000). Поэтому если масштаб и степень детализации ЭТКС (определяемые исходя из требований Заказчика РСДУ) будут соизмеримы с величиной погрешностей радионавигационного местоопопределения НТС, то изображение местоположения НТС на ЭТКС не будет совпадать с топологическими элементами автодорожной сети, вынуждая диспетчера самостоятельно принимать решение о том, по какой из городских улиц и на каком ее участке движется НТС. Система программно-картографического обеспечения (ПКО) РСДУ должна автоматически обеспечивать разрешение двух основных вопросов: (а) с какой вероятностью Pи находится истинное местоположение НТС в определенной области ЭТКС и (б) на каком именно участке топологии ЭТКС длиной 2L находится данное НТС (интервально-трассовая оценка). Эти особенности приводят к необходимости учета априорной информации о топологии и топографии дорожно-транспортной сети и решения четырех типов задач местоопределения НТС: локализация отображения истинного местоположения НТС на ЭТКС; редукция результатов радионавигационного местоопределения НТС, движущегося по городской улице, на изображение участка этой улицы на ЭТКС, который соответствовал бы наиболее вероятному местонахождению НТС; разрешение неоднозначности отображения места НТС на топологически сложных участках ЭТКС – на «дорожной гребенке» и на «дорожной решетке». При этом требования по точностным характеристикам радионавигационного обеспечения РСДУ оказываются различными в разных районах одного и того же города или региона и для различных транспортных задач. Если НТС находится вне городской дорожной сети, топология которой включена в структуру ЭТКС, то диспетчера перевозок интересует ответ на вопрос: «Внутри какого контура на ЭТКС территории находится с заданной вероятностью Р0 текущее местоположение НТС ?» Автоматическое разрешение этого вопроса системой ПКО ДП назовем решением задачи локализации отображения истинного местоположения НТС на ЭТКС (рис.5.1). Если расстояния dп – между соседними, параллельными маршруту движения, и d┴ – перпендикулярными маршруту движения НТС топологическими участками ЭТКС (см. рис.5.1) существенно превышают значение σr (σr << dп и σr << σ┴) , то система ПКО должна автоматически давать ответ на вопрос: «На каком участке топологии ЭТКС (изображение городской улицы), наиболее близком к радионавигационной отметке (xн , yн ), с заданной вероятностью Р0 находится НТС?» Определим данную задачу как задачу редукции результатов радионавигационного местоопределения НТС, движущегося по городской улице, на изображение участка этой улицы на ЭТКС, соответствующего наиболее вероятному местонахождению НТС. Или кратко – как задачу редукции НТС на трассу движения. Если отметка (xн , yн ) попадает в область ЭТКС, характеризующуюся условиями σr ≈ dп и σr << d⊥ , то возникает неоднозначность редукции результатов радионавигационного местоопределения НТС, движущегося по одной из парал111

лельных улиц, на изображение участка улицы на ЭТКС, соответствующего наиболее вероятному местонахождению НТС. Назовем такой участок топологии гии ЭТКС «дорожной гребенкой», а соответствующую задачу – задачей разрешения соседних трасс дорожной гребенки. Если отметка (xн , yн ) попадает в топологически сложную область ЭТКС, определяемую условиями σr ≈ dп ≈ d⊥ , то данную область ЭТКС будем называть «дорожной решеткой». В таком случае перед системой ПКО ставится задача разрешения дорожной решетки.

Рис. 5.1. Геометрия радионавигационного местоопределения НТС на городских улицах. Введем на ЭТКС плоские декартовы координаты (x, y), начало которых совмещено с точкой z0 = (x0, y0 ) истинного расположения НТС на улице. При этом будем считать, что ось Ох направлена вдоль улицы, а ось Оу – поперек улицы (рис.5.1). 112

Наиболее полной характеристикой распределения погрешностей радиоопределения координат (x, y) НТС является двумерная плотность вероятности p н (x, y):

pн ( x, y ) =

1 2π σ x σ y 1 − ρ z

2

⎛ (x − x )2 2 ρ z (x − x )( y − y ) ( y − y )2 ⎜ − + σxσy ⎜ σ x2 σ y2 exp⎜ − 2 2 1− ρz ⎜ ⎜ ⎝

(

)

⎞ ⎟ ⎟ ⎟ , …… (5.1) ⎟ ⎟ ⎠

_ _ где средние значения погрешностей x = x0, y = y0 и их дисперсии по осям координат σx2, σy2 и коэффициент корреляции ρz координатных составляющих либо рассчитываются аналитически, либо оцениваются экспериментально-статистически. Для решения перечисленных выше четырех задач ПКО необходимо знать распределение проекций навигационного местоположения НТС (хн , yн ) на произвольное направление. Считая априорное распределение угла ψ (ориентацию большой оси эллипса рассеяния точки zн = (хн , yн ) относительно направления движения НТС) равновероятным в пределах от 0о до 360о , из выражения (5.1) можно найти среднюю по углу Ψ дисперсию σd2 проекции точки zн на произвольное направление Оx (см. рис.5.1): σd2 =

(

1 σ x2 + σ y2 2

)

(5.2)

Величина

(

rэ = σ x σ y 1 − ρ z

)

2 1/ 2

(5.3)

= ab

является радиусом круга, равновеликого единичному эллипсу рассеяния точки zн = (хн , yн), и называется эквивалентным радиусом рассеяния радионавигационного местоположения НТС. Локализация истинного местоположения НТС заключается в следующем. Пусть во введенной выше системе плоских декартовых координат см. рис.5.1) в результате радионавигационных измерений получены значения текущих плановых координат НТС: zн = (xн, yн ). Для автоматического принятия решения, попадает ли отметка (xн , yн ) на участок улицы, направление которой совпадает с осью Ох выбранной системы координат, нужно величину yн сравнить с выбранным порогом dпр : если yн ≥ dпр , то в ПКО принимается решение о нахождении НТС вне топологической структуры ЭТКС. В этом случае на ЭТКС отображается точка zн = (xн , yн ) и круг радиуса (2-2,5) rэ , внутри которого с выбранной вероятностью Ри = (0,86-0,95) находится НТС. Величина порога dпр выбирается исходя из заданной вероятности принятия правильного решения Pпр (d пр / σ d ) = ∫

d пр

− d пр

[

(

exp − y 2 / 2σ d 113

2

)] d y = erf (d

пр

)

/σ d 2 .

(5.4 )

На рис.5.2 кривая 1 представляет зависимость Pпр(λ) = erf (λ/√2), где λ = =dпр/σd . Редукция местоположения НТС на трассу движения. Если в условиях рис.5.1 величина yн
или из графика 1 рис.5.2. Разрешение соседних трасс дорожной гребенки. Если на ЭТКС имеется ряд длинных параллельных улиц, отстоящих друг от друга на расстоянии dг = dп ≈ σг (дорожная гребенка – рис.5.1), и направление которых совпадает с трассой движения НТС, то перед редукцией НТС на трассу движения необходимо оценить, по какой именно из улиц гребенки движется НТС. Будем полагать, что априорные вероятности нахождения НТС на улицах гребенки одинаковы. Тогда оптимальным правилом разрешения трасс дорожной гребенки является редукция НТС на ближайшую из них относительно точки (xн , yн ). Вероятность P0 правильного разрешения трасс гребенки в таком случае приближенно равна Po ( d r ) =

2

σ d 2π

∫

dr / 2

0

e−x

2

2σ d 2

⎛ dr ⎞ ⎟⎟ или Po λr / 2 2 , d x = erf ⎜⎜ 2 σ 2 ⎠ ⎝ d

(

)

(5.5)

где λ r = d r/σ r. Вид функции Po(λr) представлен кривой 2 на рис.5.2. Заданием величины Po(λr) можно определить требуемое значение σd для различения улиц дорожной гребенки определенного района города.

Рис.5.2. Графики для расчета требований к точностикоординатного обеспечения РСДУ

114

На ЭТКС высвечивается соответствующий участок улицы длиной 2L, на котором с заданной вероятностью (Po·Ри ) находится НТС в данный момент времени. Величина L определяется кривой 1 на рис.5.2. Разрешение дорожной решетки. Если маршрут движения НТС проходит через топологически сложный участок ЭТКС, представляющий собой решетку трасс движения с размером ячейки dр ≈ d⊥ ≈ dп (рис.5.1), то (по аналогии с различением соседних трасс дорожной гребенки) можно получить выражение для вероятности нахождения НТС на i-й стороне городского квартала (ячейки дорожной решетки): Po (d р ) =

2

π d рσ d 2

⎡ −( y − y o )2 ⎤ d р / 2 − y ⎛ −x 2 ⎞ ⎜ ⎟ exp ⎢ exp ⎥ 2 ∫0 ⎜ 2σ 2 ⎟ d x d y d y o . d ⎠ ⎝ ⎣⎢ 2σ d ⎦⎥

∫∫

dp /2

∫∫

λр / 2 2

0

Отсюда Po (λ р ) =

2 2

λр π

0

[

]

exp − ( u − uо ) erf ( u ) d u d u o , 2

(5.6)

где λр = dр/σр. Вид функции Pо(λр) приведен на рис.5.2 (кривая 3). Как видим, требования по точности радионавигационного обеспечения различения улиц квартала вблизи перекрестка (по сравнению с разрешением дорожной гребенки) существенно жестче и могут стать невыполнимыми. Эти требования можно ослабить, если решение об отнесении НТС к одной из улиц городской дорожной решетки вблизи перекрестка заменить решением об отнесении НТС к самому перекрестку. Вероятность правильного отнесения НТС к данному перекрестку вычисляется по формуле: ⎛ λ р 2 ⎞⎤ ⎛ λр ⎞ 2 2 ⎛ λ р ⎞⎡ ⎟⎥ . ⎟⎟ − ⎟⎟ ⎢1 − exp⎜ Pпр (λ р ) = erf ⎜⎜ erf ⎜⎜ ⎜ 8 ⎟⎥ ⎝2 2⎠ λ р π ⎝ 2 2 ⎠ ⎢⎣ ⎝ ⎠⎦ 2

Зависимость Pпр (λр) представлена на рис.5.2 кривой 4. Как видно из рис.5.2, требования к разрешению перекрестков дорожной решетки существенно «мягче», чем к разрешению улиц этой решетки. В табл.5.1 приведены общие ориентировочные значения σ r = σ d√2 и их оценки для С.-Петербурга. Представленные выше формулы и графики позволяют решать перечисленные выше задачи местоопределения НТС в РСДУ и статистически обоснованно вырабатывать конкретные требования по точностным характеристикам координатного обеспечения систем автоматизированного управления движением НТС на данной территории, исходя из согласованных с Заказчиком РСДУ значений соответствующих вероятностных характеристик (Pи и L) определения места НТС на ЭТКС.

115

Таблица 5.1 Требования к точностным характеристикам навигационного обеспечения радиосистем дистанционного управления движением наземных транспортных средств (σr , м) Автономное местоопределение 30 - 130 –

100 - 500

Условия Диспетчерское движения управление наземного транспорта Общегородские и пригородные 15 - 100 перевозки Проводка автомобиля по цен3 - 30 тру города Транзитные пере-возки между 25 - 300 городами

Оценка для С.- Петербурга

40 - 70 ∗ 5 - 10 ∗

150 ∗

( * ) – при вероятности правильного разрешения неоднозначности местоопределения Pо = 90-95%. 5.4 Предварительные итоги развития ТИУРЭС в постиндустриальных странах и рекомендации для других стран Наряду с разработкой в США федеральной архитектуры единой сети автоматизированных информационно-управляющих систем для наземного транспорта (ТИУС) в 1990-х годах в различных штатах проводились ввод в эксплуатацию и натурные испытания перспективных транспортных информационно-управляющих РЭС (ТИУРЭС): «TravTek», NAVIGATOR, «TransGuide», «Minnesota Guidestar» и др. Специальная группа технических экспертов в течение 1994-98 гг. участвовала более чем в 50 таких испытаниях и сформулировала предварительные итоги («уроки») опыта развития ТИУРЭС в США. Эти “уроки” сводятся к следующему (см.Pearce V., Ingle M., Noonan J. Top 10 les-sons learned in ITS development // ITS World, 1998, v.3, N6.- P.3133, 37). 1. Трудности внедрения ТИУРЭС в транспортно-технологическую практику носят скорее административный характер, чем технический. Поэтому для успешного разви-тия ТИУРЭС на данной территории необходима всемерная поддержка этого процесса местной администрацией.

116

2. Успех реализации проектов ТИУРЭС существенно зависит от правильного под-бора группы энтузиастов, статус которой административно учрежден как подразде-ление какой-либо транспортной организации: например, отдел по ТИУРЭС в Обществе инженеровдорожников, координационный совет по ТИУРЭС Института инженеров транспорта и т.п. 3. Местный проект ТИУРЭС должен соответствовать общим перспективам разви-тия инфраструктуры дорожно-транспортной сети и транспортных перевозок региона. 4. При реализации проекта ТИУРЭС приходится постоянно учитывать текущие административные, технические и программные изменения. При этом очень важно не потерять перспективы достижения конечной цели проекта. 5. Следует с самого начала наладить и регулярно поддерживать взаимодействие как всех участников проекта, так и последних – со всеми, кто заинтересован в осуществлении проекта. 6. До начала конкретных проработок (эскизно-техническое и рабочее проекти-рование) необходимо достаточно четко определить системные требования к ТИУРЭС, согласованные с будущими эксплуатационниками. 7. Поскольку область ТИУРЭС – достаточно новая, быстро развивающаяся и очень сложная, необходимо постоянно изучать мировую информацию по этой научно-технической тематике и проводить собственные исследования и разработки. 8. Целесообразно своевременно и достаточно широко публиковать и рекламиро-вать результаты своей деятельности. 9. Введенная в эксплуатацию система ТИУРЭС в дальнейшем должна непрерывно развиваться и совершенствоваться. Поэтому системотехнически она должна быть пос-троена по принципу «открытой архитектуры» и позволять безболезненно наращивать и модернизировать свое аппаратурное и программное обеспечение. Что касается развивающихся стран и стран с переходной экономикой, к которым относится и Россия, то Комитет C16 Всемирной ассоциации дорожников (PIARC) в 1996-97 гг. изучил проблемы развития ТИУС в этих странах и выработал соответствующие рекомендации (см. Ray M. Myths and realities of deploying ITS in economies in transition // ITS World, 1998, v.3, N2.- P.28-30, 35). Общий вывод Комитета С16 PIARC состоит в том, что если в постиндустриальных странах первостепенное значение при реализации проектов современных ТИУС имеет создание на модернизируемой дорожно-транспортной сети комплексного комфорта для пассажиров и водителей НТС, а также для пешеходов, то в странах с переходной экономикой – увеличение пропускной способности существующих автодорог и увеличение безопасности дорожного движения без существенных капиталовложений в инфраструктуру ТИУС. Последнее представляется особенно актуальным, если отметить, что в некоторых развивающихся странах уровень ДТП в 30 раз выше, чем в США. 117

В то же время, нерациональное внедрение и неправильная эксплуатация современных ТИУРЭС может привести к долгосрочной «аллергии» к этим системам на местах. Поэтому правильная региональная политика в области информатизации наземного транспорта является решающим фактором для эффективности применения современных информационнотранспортных технологий. Основные выводы Комитета C16 сводятся к следующему. 1. Внедрение современных ТИУРЭС экономически весьма выгодно (например, в США соотношение доходов от применения ТИУРЭС к расходам на их эксплуатацию составляет 8:1; это – общая закономерность, присущая и развивающимся странам). 2. Законодательная, организационная и финансовая поддержка развития ТИУС должна быть обеспечена заранее и соответствовать перспективам развертывания совре-менных телекоммуникационных систем (включая волоконно-оптические) на дорожно-транспортной сети данной территории или региона. 3. Начинать практическое внедрение ТИУС можно с простейших систем: напри-мер, с внедрения систем дистанционного оперативного управления дорожной сигнали-зацией. 4. Оптимальный вариант развертывания ТИУС следует искать исходя из конкрет-ных местных условий и транспортных потребностей. 5. Организационный и экономический анализ развертывания ТИУС должен исхо-дить из оценки соотношения зарплаты обслуживающего ТИУС персонала к необходи-мым капиталовложениям. 6. Следует тщательно планировать последовательность и этапы развертывания региональных ТИУС и предусматривать открытость их архитектуры. 7. Для телекоммуникационного обеспечения ТИУРЭС управления действиями в чрезвычайных ситуациях и диспетчеризации транспортных средств городских и территориальных дорожно-транспортных служб предпочтительно использовать сотовые радиосистемы евростандарта GSM. 8. Торговля компонентами ТИУРЭС – очень выгодный средне- и долгосрочный бизнес. Поэтому на начальной стадии развития ТИУС местная администрация должна выбрать и наладить взаимодействие с ведущими производителями аппаратурного и программного обеспечения ТИУРЭС в соответствии с перспективами развития инфор-матизации на транспорте на взаимовыгодной и долгосрочной основе. 9. На начальной стадии развития ТИУС необходимо наладить подготовку мест-ных высококвалифицированных специалистов в области системотехнического проекти-рования, эксплуатации и технического обслуживания ТИУРЭС, а также учебных семи-наров для администрации разных уровней. 10. Необходимо также провести глубокий анализ заинтересованности местных предприятий и организаций в развитии ТИУС и провести

118

организационно-админи-стративные мероприятия по рыночному стимулированию этой заинтересованности. 11. В ходе развития ТИУС следует налаживать широкий обмен информацией раз-личного уровня и назначения о достижениях в области ТИУС местного, регионального и международного масштабов. С этой целью лучше всего организовать местную ITS-Ассоциацию, которая должна будет взаимодействовать с другими ассоциациями такого типа. 12. На местном уровне следует также проводить конкретные экспериментальные исследования и натурные испытания макетов ТИУРЭС. Наибольший интерес для развивающихся стран представляет перспективная американская система безопасности и спасения на скоростных автомагистралях «Mayday» [49]. Ранее (начиная с 1993 г.) система «Mayday» служила для оказания технической помощи водителям, у которых отказал автомобиль. Водитель сообщает по своему сотовому радиотелефону или просит водителя проезжающего мимо автомобиля сообщить по ближайшему придорожному специализированному телефону дежурному службы E-911 о необходимости оказания технической или/и медицинской помощи с указанием приблизительного места происшествия. Дежурный службы Е-911 связывается с соответствующими дорожными службами, которые и направляют необходимые транспортные средства и специалистов к месту происшествия, которые сами разыскивают пострадавшего. Перспективные системы «Mayday» полностью автоматизируют этот процесс. Они состоят из следующих четырех компонентов: 1. бортовой комплекс, включающий приемник системы GPS, датчики охранной сигнализации, контроллер, связной приемопередатчик и пульт водителя; 2. линейная или территориальная двусторонняя система цифровой и речевой радиосвязи; 3. центральный сервер с банком данных; 4. станция диспетчеризации вызовов с электронно-картографическим обеспечением радиооператора. Вызовы инициализируются либо нажатием соответствующей кнопки на пульте водителя, либо срабатыванием датчика охранной (в том числе пожарной) сигнализации. Бортовой приемопередатчик посылает радиосигналы, содержащие информацию о типе чрезвычайной ситуации, о точном местоположении автомобиля, его идентификационный номер и данные водителя. Эти радиосигналы принимаются и обрабатываются в центре обслуживания системы, а полученная информация регистрируется в сервере, оценивается по приоритетности и своевременно поступает на обслуживание радиооператором. Персональный компьютер радиооператора отображает местоположение потерпевшего на фоне электронной карты автодорожной сети. При необходимости радиооператор может связаться с водителем по речевой связи и уточнить ситуацию на борту автомобиля. 119

После оценки ситуации радиооператор вызывает соответствующую службу помощи на автотрассе (техническую, медицинскую, психологическую, антикриминалистическую и др.), дает ей точное целеуказание и передает поступивший вызов на его обслуживание. Соответствующая служба связывается с водителем и оперативно оказывает необходимую помощь, а до прибытия на место происшествия – собирает информацию от других водителей (свидетелей), дает инструкции водителю о его немедленных действиях или активно воздействует на похищенный автомобиль или на злоумышленников. Местоположение пострадавшего определяется в дифференциальном режиме работы системы GPS с точностью менее 10 м. Для электронной картографии в системе «Mayday» используются цифровые автодорожные карты масштаба 1:100.000 (в 1 см – 1 км). Система «Mayday», оборудованная средствами ТИУРЭС, обеспечивает психологический комфорт на автодорогах и сокращает время реагирования дорожных служб на ДТП в густонаселенных сельских районах США в 2 раза: в среднем с 21 до 12 мин. 5.5 Перспективы развития ТИУРЭС в странах СНГ Как указывалось в разд.1, в бывшем СССР развитие ТИУРЭС прошло те же этапы, что и в зарубежных странах. Однако политические события начала 1990-х годов и бурное развитие аппаратурных и программных средств ТИУС в постиндустриальных странах привел к существенному отставанию информатизации дорожно-транспортных комплексов стран СНГ от мирового уровня. В настоящее время в Российской Федерации наблюдаются три процесса в этой области: • создание локальных ТИУРЭС на отечественной технико-технологической базе; • адаптация зарубежных компонентов ТИУРЭС для местных условий их применения; • предоставление дилерских услуг зарубежными фирмами. Если в постиндустриальных странах рыночному этапу развития ТИУС предшествовал комплекс согласованных и государственно финансируемых предконкурентных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, а также разработка скоординированных принципов и концепций развития государственных и региональных дорожно-транспортных инфраструктур, единых стандартов и протоколов обмена информацией в создаваемых и будущих ТИУС, то в России и в странах СНГ в 1990-х годах появилось множество конкурирующих между собой мелких частных фирм и подразделений предприятий, которые пытаются предложить частным и муниципальным организациям различные полулегальные средства информатизации автотранспортных комплексов этих организаций. Кроме упомянутых в разд.1 ЗАО ПРИН и НПП «Транснавигация», известны также около полсотни различных фирм по разработке, поставке и продаже РИУРЭС, в том числе московские предприятия НПП «Термотех», ЗАО «Транснетсервис», НКС ИРБИС, «СиБи120

Град», НАВИКОМ, ЗАО «Комбеллга», ГП «Морсвязьспутник», Калужский НИИ телемеханических устройств, минское ГП СКБ «Камертон», тольяттинское ЗАО АВТОР, екатеринбургский СКИТ, санкт-петербургские «Сателлит-СПб», «Навигация Сервис», ЗАО «Навси», ЗАО «Эскорт» и др. При совместном планировании и упорядочении развития комплексной информатизации дорожно-транспортных сетей стран СНГ необходимо учитывать следующее. Транспортная система стран СНГ на Западе примыкает к транспортной сети Зап. Европы. В 1989-98 гг. в странах Евросоюза были проведены широкомасштабные предконкурентные работы по двум основным проблемам модернизации информационно-управляющих систем дорожно-транспортного комплекса: современные компьютеризованные системы информационного обеспечения дорожного движения (Road Transport Informatics = RTI) и автоматизированные системы централизованного дистанционного управления дорожным движением (Road Transport Telematics = RTT). В 1997 г. был разработан первый Европейский радионавигационный план (ERNP), предусматривающий развитие координатно-временного обеспечения территории стран Евросоюза до 2010 г. Определены основные международные транспортные коридоры, два из которых проходят по территории стран СНГ: девятый и «Великий шелковый путь». Имеется также радионавигационный план Российской Федерации. 5.6.

Расчет эффективности применения ТИУРЭС

Еще одна специфическая особенность проектирования РСДУ – оценка эффективности ее применения в конкретных транспортно-технологических процессах. Следует обратить внимание на то, что существует множество различных подходов к определению эффективности технических средств, часто противоречащих друг другу [31]. Существует также типовая методика определения экономической эффективности капитальных вложений в новую технику: если Эт – годовой экономический эффект от внедрения новой техники; С – себестоимость ее приобретения, внедрения и эксплуатации; К – некоторый субъективно-эмпирический коэффициент, то в качестве критерия экономической эффективности рекомендуется принимать срок окупаемости новой техники Ток = К С / Эт. Считается, что если Ток < 7 лет, то внедрение данных технических средств экономически эффективно. Как подсчитать Эт и оценить значение К, зависит от многих конкретных факторов и условий применения предполагаемых технических средств в данной конкретной области. Такой чисто экономический подход к оценке эффективности в какой-то степени правомерен при несущественном усовершенствовании традиционных серийных технических средств. Системы РСДУ являются принципиально новой радиоэлектронной многофункциональной уникальной техникой, и оцен-ка их эффективности требует более глубокого подхода. 121

Эффективность РСДУ как технического средства ТИУС есть свойство, характеризующее качество функционирования РСДУ в типовых условиях ее применения, направленное на достижение определенных целей в транспортнотехнологических операциях данного класса. Все целенаправленные операции оказываются сравнимыми по эффективности, имеющей единую меру – вероятность Рдц достижения цели операции. Эта вероятность зависит как от квалификации участников операции, так и от применяемых ими технических средств. Определим основные понятия теории эффективности. Цель действия – желаемый результат деятельности, достигаемый в ограниченные сроки. Формирование целей действия – процесс не формализуемый. Операция – это упорядоченная совокупность взаимосвязанных действий, направленных на достижение некоторой цели. Терминальные операции – операции, в которых цель достигается за определенный интервал времени, после которого оставшиеся ресурсы могут быть использованы в других операциях. Развивающиеся (непрерывные) операции – достигается промежуточная цель, после которой операция направляется на достижение более высокой цели или «дальняя цель» корректируется и т.д. Календарно-развивающиеся операции – цель периодически повторяется (каждый год, месяц, неделю). Эффективность – свойство, характеризующее качество функционирования, например, системы ТРИС в данной операции. Эффективность не является свойством системы ТИУРЭС. Это свойство операции, осуществляемой ТИУС с применением данной системы ТИУРЭС. Строго говоря, эффективность – единое понятие. Однако обычно вводят два понятия: «функциональная эффективность» – прямой эффект, получаемый при выполнении радиосистемой своих функций (техническая эффективность применения радиосистемы) и «экономическая эффективность» – экономический (косвенный, побочный) эффект, выражающийся в затратах, прибылях, предотвращенных потерях и т. п. При одинаковой квалификации участников операции величина Рдц будет определяться их технической оснащенностью. Поэтому эффективность применения РСДУ в данной операции имеет две основные характеристики: функциональную, как прямой эффект, получаемый при выполнении РСДУ своих функций (техническая эффективность применения РСДУ), и экономическую, определяемую экономическим (косвенным, побочным) эффектом применения РСДУ и выражающуюся в затратах, прибылях, предотвращенных потерях и т.п. Например, применение РСДУ для дистанционной охраны инкассаторских перевозок может приносить одни лишь убытки, если в течение срока службы РСДУ не будет ни одного нападения на инкассаторские автомобили. Однако если РСДУ позволяет достаточно надежно предотвращать утрату перевозимых ценностей за счет оперативного реагирования в случае нападения злоумышленников на инкассаторский автомобиль, то предотвращенные потери могут многократно превысить затраты на приобретение и эксплуатацию РСДУ. 122

Кроме того, использование РСДУ в инкассаторских перевозках повышает уверенность собственников перевозимых ценностей в их сохранности, а участников перевозок – в их относительной безопасности. Эти аспекты применения РСДУ прямой экономической оценки не имеют. Поскольку функциональный (технический) и экономический эффекты, как правило, находятся в противоречии, то одной из фундаментальных проблем оценки эффективности применения РСДУ является проблема «эффективностьстоимость». А поскольку основное функциональное свойство РСДУ – высокая оперативность сбора соответствующей информации и передачи соответствующих командно-управляющих воздействий, то интуитивно ясно, что наибольшая техническая эффективность применения РСДУ проявляется в операциях, где фактор времени имеет решающее значение: чрезвычайные ситуации, дорожно-транспортные происшествия и т.п. Исходя из этих общих предпосылок, можно предложить следующую методику оценки эффективности применения РСДУ в операциях данного класса. Вначале создается и формализуется сценарий таких операций. Затем определяется функциональная роль РСДУ в них и ее целевое назначение. Далее определяется критерий технической эффективности применения РСДУ и рассчитываются значения величин Рдц и выбранного критерия. Наконец, определяется экономическая эффективность применения данной РСДУ и формулируется решение о целесообразности применения РСДУ в операциях рассмотренного класса. Существует три метода оценки эффективности применения РСДУ в транспортно-технологических операциях. Э к с п е р т н а я оценка эффективности – основана на практическом опыте работы транспортно-технологических предприятий, служб и подразделений. Т е о р е т и ч е с к и й расчет эффективности – основан на построении идеализированной (упрощенной) математической модели данного класса операций и численном расчете значений показателей эффективности. Этот метод, как и любой теоретико-аналитический метод, дает возможность качественно оценить эффективность и достаточно просто определить ее зависимость от соответствующих параметров в широком диапазоне их изменений. Метод с т а т и с т и ч е с к о г о м о д е л и р о в а н и я дает наиболее достоверную оценку эффективности. Он основан на компьютерном имитационном моделировании транспортно-технологических операций данного класса, введении в соответствующую компьютерную программу эмпирических значений параметров модели и статистическом оценивании эффективности методом Монте-Карло. Для примера рассмотрим метод аналитической оценки эффективности применения РСДУ в операциях по ликвидации последствий чрезвычайных происшествий (ЧП) службами управления действиями в чрезвычайных ситуациях (УДЧС). Пусть в данном районе или городе имеется служба УДЧС (в простейшем случае – это самоорганизованные группы местного населения) и для ЧП соответствующего вида имеются следующие статистические данные (в расчете на один календарный год): 123

Q1 – материальный ущерб, наносимый району определенным видом ЧП; C1 – стоимость содержания имеющейся службы УДЧС; η1 – средняя эксплуатационно-техническая эффективность проведения операции по ликвидации последствий ЧС без привлечения других служб и региональных ресурсов. Величину η1 можно выразить через значение Q1 и гипотетический ущерб Qг, который был бы нанесен району в отсутствие данной службы: η1 = (Qг – Q1) / Qг. Отсюда Qг = Q1 (1 – η1)-1. Экономическую эффективность службы УДЧС будем характеризовать величиной E1 = (Qг – Q1) / C1 = η1 Q1 / [(1 – η1) C1]. Обозначим через Pr – стоимость технического переоснащения (дооснащения) службы УДЧС, через ∆C – дополнительные затраты годового содержания переоснащенной службы УДЧС, η2 – среднюю техническую эффективность переоснащенной службы. Тогда при сроке эксплуатации новых технических средств службы УДЧС Nэ лет годовая стоимость содержания переоснащенной службы C2 = C1 + ∆C + Pr / Nэ. Прогнозируемый материальный ущерб, наносимый району данным видом ЧП при новой оснащенности службы УДЧС, Q2 = Qг (1 – η2) = Q1 (1 – η2) / (1 – η1). Экономическая эффективность переоснащенной службы E2 = (Qг – Q2) / C2 = E1 (η2 / η1) [1 + (∆C + Pr / Nэ) / C1]-1. Величина ∆C зависит от дополнительных расходов на эксплуатацию новых технических средств службы УДЧС, а Pr – от рыночной стоимости нового оборудования и ввода его в эксплуатацию. Величину q = η2 / η1 назовем относительной эксплуатационно-технической эффективностью, а α = (∆C + Pr / Nэ) / C1 – относительной стоимостью переоснащения службы УДЧС. Таким образом, относительная экономическая эффективность переоснащенной службы рассчитывается по формуле: e = E2 / E1 = q / (1 + α). Критерий целесообразности переоснащения службы УДЧС (критерий превосходства переоснащенной службы перед имевшейся) можно сформулировать так: 1. “относительный прирост экономической эффективности (E2 – E1) / E1 больше относительной стоимости переоснащения”, то есть q > (1 + α)2; 2. “уменьшение наносимого району материального ущерба (Q1 – Q2) больше стоимости переоснащения службы УДЧС”, то есть q > (1 + α/E1). Величины α и E1 подсчитываются для каждого конкретного вида ЧП отдельно; q может быть оценена заранее. С эксплуатационно-технической точки зрения величина η есть средняя вероятность Рдц успешного проведения службой УДЧС операций по ликвида-ции последствий ЧП данного вида: 0 ≤ η ≤ 1; η = 1 при Q = 0; η = 0 при Q = Qг . При проведении терминальной операции по ликвидации последствий ЧП успех операции существенно зависит от промежутка времени t0, отсчитыва-

124

емого от момента возникновения ЧП до начала операции (время оперативного реагирования службы УДЧС). Поскольку t0 – случайная величина, то η = ∫ p 0 (t0 ) A(t0 ) dt0 ,

(5.7 )

T0

0

где A(t0) – показатель успешности проведения терминальной операции; p0 (t0) – плотность вероятности величины t0; T0 – предельно допустимое время прибытия группы службы УДЧС на место возникновения ЧП, по истечении которого проведение операции становится бессмысленным и (или) требует привлечения других ресурсов и служб. Величина t0 складывается, по крайней мере, из четырех составляющих: t0 = t1 + t2 + t3 + t4, где t1 – время, необходимое для выявления ЧП, определения ее эпицентра и масштабов, а также оповещения о ней лица, принимающего решение (ЛПР); t2 – время принятия решения ЛПР; t3 – время, необходимое для определения расположения ближайшей к эпицентру возникновения ЧП группы службы УДЧС, а также для выдачи группе целеуказаний; t4 – время, необходимое для прибытия группы к эпицентру ЧП и подготовки к началу операции. Пусть все ti, (i = 1,…,4) – независимы. Тогда 4

p (t1 , t 2 , t3 , t 4 ) = ∏ pi (ti ), i =1

а t0 имеет характеристическую функцию (преобразование Фурье плотности вероятности) 4

ϕ (ω ) = ∏ ϕ i (ω ), i =1

где ∞

ϕ i (ω ) = ∫ p i (ti ) exp ( jω ti ) dt , 0

i = 1, … , 4 −

–характеристическая функция случайных величин {ti}. Отсюда p 0 (t 0 ) = 1 / 2 π

∞

4

−∞

i =1

∫ ∏ ϕ (ω ) exp (− jω t ) d ω . i

0

Если {ti} – не являются независимыми, то расчет функции p0 (t0) значительно усложняется. Рассмотрим развитие во времени и в пространстве последствий ЧП и ход операции по их ликвидации службой УДЧС, начавшей эту операцию через t0 (секунд, минут, часов) после возникновения ЧП. Для простоты будем полагать, что распространение последствий ЧП по территории района происходит радиально (нет “сдувания” облака токсических веществ или огня, нефтепродукты разливаются по плоской однородной земле, правонарушители “разбегаются” по равновероятным направлениям и т. п.) и характеризуется изменением “плотности интенсивности последствий” s(ρ, t) во времени t по радиусу ρ от эпицентра ЧП.

125

В общем случае функция s(ρ, t) – анизотропная, а ее построение является отдельной и весьма сложной задачей конкретных экспериментально-теоре-тических исследований. В момент t0 функция s(ρ, t) имеет вид s(ρ, t0 – ts), ts – временная задержка распространения последствий ЧП относительно момента возникновения ЧП (разгорание огня, время на захват ценностей при ограблении объекта и т. п.) с плотностью вероятности ps (ts), ts ≥ 0. Функция s(ρ, t) может иметь различный вид и “физический смысл” в зависимости от типа ЧП. Можно выделить следующие характерные ситуации. 1.“Выброс токсических веществ в атмосферу”. В этом случае lim 2π t

∞

∫ s (ρ , t ) ρ dρ = M 0

0

,

∞

где M0 – масса выброшенных веществ, а функция s(ρ, t) и имеет физический смысл радиальной скорости осаждения на почве токсических веществ. 2.“Авария на нефтяной скважине”. Здесь 2π

t ∞

∫ ∫ s (ρ , τ ) ρ

dρ

t

= ∫ m 0 (τ ) d τ

dτ

0 0

≡ M (t ),

0

где M(t) – масса нефти, разлившейся за время t; m0(τ) – мощность нефтяного фонтана; s (ρ, τ) – радиальная плотность нефтяного загрязнения территории. 3.“Пожар”. В этом случае

s [Vп (t − t s ), t ] = m0 ,

где m0 – максимальная интенсивность горения; Vп – радиальная скорость распространения пожара; s(ρ, t) – интенсивность пламени. 4.“Ограбление объекта”. В данной ситуации ∞

∫ s ( ρ , t − t ) ρ dρ s

= 1,

0

а s(ρ, t0 – ts) имеет смысл радиальной плотности вероятности нахождения преступников в момент времени t > ts на расстоянии ρ от места преступления. Рассмотрим в общем виде ЧП первого типа [37]. В этом случае техническую эффективность можно оценить средним временем Tн.ср, затрачиваемым на нейтрализацию территории, где уровень заражения на единицу площади превышает предельно допустимый Yпд. Эта территория имеет радиус Rпд, который определяется из уравнения s (R пд , ∞ ) = 2π Yпд Rпд

и зависит от случайной величины M0, имеющей плотность вероятности p(M0). Пусть оперативная группа службы УДЧС начинает ликвидацию последствий ЧП по площади нейтрализуемой территории радиально от эпицентра с производительностью g (м2/с). Тогда к моменту времени t ≥ t0 группа нейтрализует территорию площадью St = g(t – t0) c радиусом ρt = √ g(t – t0)/π. Отсюда ∞

Tн .ср = ∫ Tн (M 0 ) p (M 0 ) dM 0 . 126

0

Tн (M 0 ) = π Rпд / g , 2

Теперь функцию A(t0) можно рассчитать так: A(t0) = Tн.ср + t0 , а по формуле (5.7) – оценить среднюю техническую эффективность η службы УДЧС при имеющейся технической оснащенности групп по ликвидации последствий ЧП. Для случая 4 пример рельефа функции s(ρ, t) показан на рис.5.3. Здесь предполагается, что радиальная скорость “разбегания” преступников V распределена по логарифмически нормальному закону с медианным значением MeV и с параметром распределения σs. Поэтому функция s(ρ, t) имеет вид s (ρ , t ) =

⎧⎪ log 2 [ρ / (t MeV )]⎫⎪ log e exp ⎨− ⎬. 2 2π σ s ρ 2σs ⎪⎭ ⎩⎪

Рельеф функции s(ρ, t) при ts = 0 показан на рис.5.3 при MeV = 2 м/с и σs = 0,3. 5.7.

Информационно-патентное обеспечение проектов ТИУРЭС

Информационное обеспечение реализации проекта ТИУРЭС включает самые разнообразные источники информации. Для поиска ее в системе «Internet» ключевым словом является ITS, а также – RTT. Наиболее важным для разработчиков ТИУРЭС является патентный поиск по ТИУРЭС. Системы дистанционного контроля состояния и диспетчерского управления движением наземного транспорта, элементы систем, отдельные устройства для них, а также способы, относящиеся к решению задач дистанционного контроля состояния и диспетчеризации наземного транспорта были в 1980-е годы объектами активного патентования за рубежом. Патентование, помимо закрепления научного и технического приоритета, дает заявителям (фирмам, авторам-изобретателям) правовую основу для реализации прав собственности на произведенный интеллектуальный продукт, обеспечивает защиту их продукции на товарном рынке аналогичной продукции, обеспечивает функционирование механизма добросовестной конкуренции В сфере патентования, непосредственно относящейся к системам контроля состояния и управления движением наземного транспорта, основывающимся на радиотехнических средствах, можно выделить два направления патентования, соответствующие двум общим концепциям построения систем. Первое направление патентования было связано с патентной защитой систем, использующих сети опорных пунктов, имеющих известное местоположение и осуществляющих прием сигналов, излучаемых передатчиками контролируемых транспортных средств. Принятые опорными пунктами сигналы несут в том или ином виде информацию о расстояниях до контролируемых транспортных средств. Эта информация из опорных пунктов передается на базовую станцию (диспетчерский центр), где осуществляется определение

127

местоположения на основе вычисляемых гиперболических линий положения, а также контроль перемещения транспортных средств. Например, патент US N4916455, G01S 3/02, 1990, “Scientific Development. Inc.”, US, защищает систему, где сетью опорных пунктов осуществляется прием сигналов, излучаемых передатчиками контролируемых транспортных средств, демодуляция, сравнение с заданным опорным уровнем и определение моментов времени совпадения с опорным уровнем. Результаты этих опреде-лений передаются на базовую станцию, где осуществляется идентификация контролируемых транспортных средств, вычисление временных задержек прихода сигналов на опорные пункты и определение на этой основе местоположения транспортных средств. Второе из направлений патентования в сфере систем контроля состояния и управления движением наземного транспорта связано с патентной защитой систем, основывающихся на использовании сигналов уже существующих радионавигационных систем, излучаемых определенным образом сетью передатчиков, которые имеют известное местоположение. Это направление получило свое развитие в первую очередь в связи с повсеместным использованием радионавигационных систем «Loran-C и «Navstar» широким кругом гражданских пользователей. Однако использование этих «универсальных» систем для решения проблемы диспетчеризации наземного транспорта (в отличие от традиционных навигационных задач, связанных с морским или воздушным транспортом) привело к необходимости решать специфические задачи, связанные, в частности, с очень жесткими требованиями по точности местоопределения транспортных средств, перемещающихся по разветвленной сети сравнительно близко расположенных друг относительно друга дорог, с требованиями по габаритам бортовой аппаратуры, по виду предоставляемой водителю путевой информации, а также с проблемами обеспечения надежной радиосвязи между диспетчерским пунктом и транспортными средствами, электронными картами и пр. Во втором направлении патентования можно условно выделить две области. Первая связана с патентной защитой систем, где традиционным образом с помощью бортовой радионавигационной аппаратуры осуществляется определение координат транспортных средств, а затем по тем или иным каналам радиосвязи эта информация передается на диспетчерский центр (ЦДКУ) для осуществления диспетчерского управления и дистанционного контроля. Естественно, что оборудование диспетчерских центров в таких системах упрощается за счет усложнения бортового оборудования контролируемых транспортных средств; однако транспортные средства при этом получают большую степень автономности (получают свое местоположение), что в ряде случаев имеет свои преимущества. Например, заявка EP N0379198, G01 S 5/02, 1990, “Sharp Kabushiki Kaisha”, Japan, защищает систему, где контролируемое транспортное средство определяет свое местоположение по сигналам радионавигационной системы и передает эти данные на диспетчерский центр по каналу радиосвязи. На диспет128

черском центре (исходя из текущего местоположения транспортного средства) из базы данных электронной картографической системы извлекается соответствующая картографическая информация о географическом районе, где контролируемое транспортное средство находится в данный момент. Эта картографическая информация передается по каналу радиосвязи на транспортное средство, где она отображается вместе с положением транспортного средства на дисплее водителя. Вторая область рассматриваемого направления связана с патентной защитой систем, где на борту контролируемых транспортных средств осуществляется только определение радионавигационных параметров (РНП) («первичная обработка сигналов»): например, определение времен (или разностей времен) прихода сигналов, излученных передатчиками радионавигационной системы. Эти данные в том или ином виде передаются по каналам радиосвязи на диспетчерский центр, где вычисляются координаты транспортных средств и осуществляется контроль их перемещений. В таких системах (за счет переноса части вычислений в аппаратуру диспетчерского центра) существенно упрощается и удешевляется бортовая аппаратура транспортных средств. Расширяются также возможности повышения точности местоопределения, в частности – за счет определения и ввода поправок на условия распространения радиоволн в различных контролируемых географических районах. В Европе эта область патентования представлена, в частности, заявкой GB N2241623, G01 S 5/14, 1991, “Philips Electronic and Associated Industries. Ltd”, GB, защищающей систему, в которой сигналы навигационных ИСЗ системы «Navstar» принимаются бортовой аппаратурой контролируемых транспортных средств, запоминаются на определенное время и переизлучаются на диспетчерский центр. Аппаратура диспетчерского центра также принимает сигналы от навигационных ИСЗ и сигналы от контролируемых транспортных средств, измеряет задержки распространения сигналов между ИСЗ и транспортными средствами – и вычисляет на их основе местоположение транспортных средств. Основными пионерскими патентами в области ТИУРЭС являются следующие. 1. Henson A. J., Lewis R.W. Патент США N3789198: G06F 15/48, G01C 7/04, G01C 21/10 (235/150.27) – «BOEYNG Co.» (USA – заявл. 10.04.72, опубл. 29.01.74). Бортовой комплекс системы РСДУ. Vehicle location monitoring system. – Заявлен борто-вой комплекс системы РСДУ, в котором местоположение НТС определяется по данным одометра и геомагнитного компаса. Применено впервые матричное кодирование карты в методе «припассовки в карте» дорожной сети. Реализован в системе FLAIR Депар-тамента полиции Сент-Луиса, которая эксплуатировалась с 1977 по 1982 гг. 2. French R. L. Патент США N384589: G06F 15/50 (235/151.2) – «AVON, Inc.» (USA – заявл. 18.07.72, опубл. 29.10.74). Способ и бортовой комплекс автоматической сигнализации достижения определенного местоположения. Method and employing auto-matic apparatus route control system. 129

– Бортовой комплекс для автоматической сигна-лизации того, что почтовый фургон, обслуживающий подписчиков периодической печати и ежедневно следующий по заданному маршруту микрорайона проживания подписчиков, поравнялся с местом сбрасывания контейнера данного подписчика к воротам его коттеджа. Для местоопределения впервые применен дифференциальный одометр и метод «припассовки к карте». Реализация системы названа системой ARCS.Прошла годичную опытную эксплуатацию в 1971/72 гг. 3. Tyler R. A., de Tullio L. Патент Великобритании N1387327: B60Q 9/00 (G4Q) – «Marcony Co.» (UK – заявл. 28.10.72, опубл. 12.03.75). Бортовой автома-тический комплекс отслеживания передвижения автомобиля по городской дорожной сети по данным одометра и геомагнитного компаса. Improvements in or relating to vehicle location systems. – Автомобиль включен в РСДУ. Комплекс реализован в сис-теме LANDFALL с радиоканалом передачи данных на диспетчерский пункт Лондон-ской полиции. 4. Tyler R. A. Патент Великобритании N1470694, доп. к патенту N1387327: МКИ B60Q 9/00 (G4Q) – «Marcony Co.» (UK – заявл. 08.06.74, опубл. 21.04.77). Бор-товой автоматический комплекс отслеживания передвижения автомобиля по городской дорожной сети по данным одометра и геомагнитного компаса. Дополнение к патенту N1387327. 5. Ho C. C., Sharpe C. A., Butcher B. A., Bell A.G. Патент США N4435711: G01S 1/24 (434/389) – «Texas Instruments Inc.» (USA – заявл. 15.09.80, опубл. 06.03.84). Радиотелефон с возможностью передачи данных о положении. Radio telephone with position transmission capability. – Контроль местоположения транспортных средств осуществляется на центральном диспетчерском пункте, содержащем приемопередатчик для приема сообщений о место положении транспортных средств и передаче кодиро-ванных сигналов для их опознавания, а также индикаторное устройство для воспроиз-ведения принимаемых сообщений. Транспортное средство определяет свое местопо-ложение по сигналам РНС Лоран-С. Передатчик транспортного средства передает сигналы о местоположении. Передача данных о местоположении может осущес-твляться однократно, непрерывно или периодически по принятому сигналу опозна-вания. 6. Hughes Ch. J. Заявка ЕПВ N0123562 A1: G01S 5/02 – «British Telecommunications». (UK – заявл. 26.04.84, опубл. 31.10.84. Bull. 84/44). Система для определения маршрута транспортного средства. Vehicle route finding system. – Транс-портные средства оснащены приемниками ЛоранС. Данные, связанные с положением транспортного средства, с приемника Лоран-С передаются на центральную диспет-черскую станцию по радиотелефонной линии связи для определения его местопо-ложения. Информация о маршруте следования с учетом нужного пункта назначения передается обратно водителю. Компенсация ошибок распространения осуществляется на основе истинных значений местоположения, дополнительно передаваемых с транс-портного средства на центральную станцию. 130

7. Honey S. K., Zavoli W. B., Milnes K. A. et all. Патент США N4796191: 06F 15/50 (364/450) – “ETAK, Inc.” (USA – заявл. 07.06.84, опубл. 03.01.89). Способ и нави-гационная система определения местоположения подвижных объектов. Vehicle navi-gational system and method. – Заявлена первая коммерческая система, торговая марка которой «ETAK Navigator», поступившая на свободный рынок в Калифорнии в 1985 г. Служит для автономной навигации автомобиля в условиях сложной сети городских дорог. Местоопределение осуществляется по данным одометра и геомагнитного ком-паса. Для «припассовки к карте» впервые применен вероятностный алгоритм с текущей оценкой точности местоопределения. Аналогично была построена система CARIN фирмы Philips. 8. Заявка ФРГ N OS 3501035: G08G 1/00 – “ANT Nachrichtentechnic Gmb H”. (FRG – заявл. 15.01.85, опубл. 17.07.86). Способ контроля транспортных средств. – Транспортное средство снабжается блоком для определения его местоположения и аппаратурой радиосвязи с центральной станцией, где осуществляется контроль местоположения НТС. 9. Gray D. R., Green L. R., Gendler R. L., Carrott J. A. Патент США N4651157: G01S 3/02, B60R 25/00 (342-457) – “Mets, Inc.” (США – заявл. 07.05.85, опубл. 17.03.87). Система контроля безопасности и сопровождения. Security monitoring and tracking system. – Транспортные средства оснащены приемниками Лоран-С. Пере-датчик транспортного средства передает задержанные во времени данные о принятых сигналах Лоран-С, а также данные о сигналах аварийных датчиков. На центральной станции на основании принятых задержанных данных вычисляются координаты транс-портного средства, а так же оценивается его состояние (авария, пожар, угон и т. д.). 10. Green L. R., Carrott J. A., Gray D. R., Gendler R. L. Патент США N4791572: G01S 3/02, G06F 15/50 (364/449) – “Mets, Inc.” (USA – заявл. 20.11.85, опубл. 13.12.88). Способ точного воспроизведения на географической карте информации о положении движущегося объекта. Method for accurately displaying positional information on a map. – Транспортные средства принимают сигналы навигационной системы и передают на ЭВМ центральной станции, где определяется их местоположение. Имеется сеть опорных пунктов, расположенных в местах с известными координатами, которые также принимают сигналы навигационной системы и передают их на ЭВМ централь-ной станции для определения коэффициентов коррекции. 11. Duffett-Smith P. J. Международная заявка WO 89/01637: G01S 5/02, 5/00 – (UK – заявл. 10.08.87, опубл. 23.02.89). Система навигации и маршрутного движения. Navigation and tracking system. – Сигналы сети независимых передатчиков принимаются на НТС и переизлучаются на ДЦ. На ДЦ принимаются радиосигналы тех же передат-чиков и определяются радионавигационные параметры НТС корреляционным прием-ником. По текущим значениям этих параметров на ДЦ определяются координаты об131

служиваемого НТС. Система реализована в Великобритании под названием “Cursor” и развивается и совершенствуется по настоящее время. 12. Zeevi E. I. Патент США N4878170: GO6F 15/ 50 (364/449; 364/444) – (USA – заявл. 17.03.88, опубл. 31.10.89). Система проводки автомобиля. Vehicle navigation sys-tem. – Система проводки автомобиля по дорогам по данным геомагнитного компаса, поворота рулевого колеса и одометра. Накопленная погрешность сбрасывается на характерных ориентирах или перекрестках – вручную или автоматически по радио-маячкам. 13. Brown K. Международная заявка РСТ N89/12835: G01S 5/02, G08G 1/12 – (UK – заявл. 17.06.88, опубл. 28.12.89). Система для определения местоположения движущегося по дорогам транспортного средства. Road vehicle locating system. – Сис-тема содержит приемное устройство, размещенное на центральной станции, и навига-ционное устройство, расположенное на движущемся объекте. Навигационное устрой-ство автоматически определяет местоположение объекта на основе данных, например, наземных радиомаяков. С навигационным устройством соединен передающий блок типа радиотелефона. Приемное устройство на центральной станции принимает сигналы передающего блока, которые указывают мгновенное положение объекта, измеренное навигационным блоком. 14. Nishikawa K., Fujimoto M., Asano Y. Патент США N4949268: G01S 5/02, G01S 3/02, G06F 15/50 (364/449; 364/450) – “Kabushuki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho”. (Japan – заявл. 22.09.88, опубл. 14.08.90). Система определения местоположения НТС в городе. Land vehicle navigation system. – С помощью данных спутниковой РНС (GPS) и геомагнитного компаса и по счислению пути и вычислению видимости навигационных ИСЗ по карте города с высотами зданий и строений. Есть экспериментальные данные по видимости НИСЗ. Информация водителю высвечивается на дисплее в виде карты города и отметки местоположения НТС на ней. 15. Заявка ФРГ N3839959: G08B 25/00, G08G 1/123, B60Q 9/00, H04Q 7/00 – “Robert Bosch Gmb H”. (FRG – заявл. 26.11.88, опубл. 12.04.90) – Устройство аварий-ного вызова транспортных средств. – Транспортные средства оснащаются приборами для определения местоположения и (или) навигации, сигнальным датчиком и каналом автоматической радиосвязи с центральной станцией. При срабатывании сигнального датчика производится передача аварийного вызова на центральную станцию с данными о местоположении транспортного средства от прибора для определения местополо-жения и (или) навигации. 16. Ohta T., Nakano H., Miyazaki M. Заявка ЕПВ N0379198 A2: G01S 5/02, G01S 5/14 – “Sharp Kabushiki Kaisha”. (Japan – заявл. 18.01.89, опубл. 25.07.90). Система навигации мобильного объекта. Mobile object navigation system. – Система содержит центральную диспетчерскую станцию, мобильные объекты, систему радиосвязи. Мобильные объекты содержат бортовые блоки для определения местоположения, блоки передачи данных о местоположении, блоки приема картографической информа-ции от центральной станции, бортовые дисплеи. Центральная станция содер132

жит блок базы данных для хранения картографических данных, блок извлечения данных карты в ответ на принятую информацию о положении контролируемого мобильного объекта, блок для передачи данных карты мобильному объекту через систему связи. На дисплее мобильного объекта отображается комбинированное изображение, составленное из данных позиционного положения объекта и данных карты. 17. Komura F., Hirayama Y., Homms K. at all. Патент США N 5311173: G08G 1/123 (235/150.27) – “HITACHI Ltd.”(Japan – заявл. 14.09.89, опубл. 10.05.94). Способ и устройство автономного местоопределения НТС. – Система и устройство автономного местоопределения НТС по данным одометра и компаса с помощью последовательности сличения этих данных с точной картой дорожной сети (“припассовки к карте”). 18. Ueyama Y. Yasui N. Патент США N5060162: G06F 15/50 (364/449; 364/454) – “Matsushita Electric Industr. Co.” (Japan – заявл. 05.12.89, опубл. 22.10.91). Система автономного местоопределения НТС. Vehicle in-situ locating apparatus. – Местоопреде-ление НТС происходит по данным счисления пути и геомагнитного датчика поворотов с помощью метода “припассовки к карте”. Метод работоспособен и там, где компас не работает: мосты, туннели, надземная железная дорога, склоны и т. д. 19. Yokoyama Sh,.Nanba A. Патент США N 5043902: G06F 15/50 (364/449; 364/444) – “Aisin Aw Co.” + “Kabushiki Keisha Sinsangyokaihatsu”. (Japan – заявл. 23.12.89, опубл. 27.08.91). Система проводки НТС по маршруту по данным счисления пути и датчика поворотов. Vehicular navigation apparatus. Информация водителю выво-дится на дисплей и дублируется голосом. 20. Velasco R. Патент США N5032845: G01S 3/02 – “D.G.R., Inc.” (USA – заявл. 08.02.90, опубл. 16.07.91). Навигационная система Loran-C для определения положения движущегося объекта. – Движущийся объект снабжен приемником Loran-C. При приеме сигналов Loran-C объект излучает радиочастотный сигнал, модулированный импульсами, которые синхронны и соответствуют моментам приема импульсов Loran-C. Система содержит центральную станцию, принимающую радиочастотные сигналы от движущегося объекта и определяющую его местоположение. 21. Заявка ЕПВ N0444738: G01S 5/14 – “Philips Electronic and Associated Industries, Ltd”. (UK – заявл. 28.02.90, опубл. 09.04.91). Система для определения местоположения движущегося объекта. – Система содержит центральную станцию, движущиеся объекты, систему радиосвязи. Движущие объекты содержат приемники для прямого приема сигналов СРНС (GPS). Центральная станция также содержит приемник сигналов СРНС. Движущиеся объекты снабжены также устройствами для регистрации принятых сигналов СРНС и ретрансляции принятых от СРНС сигналов на центральную станцию. На центральной станции имеются устройства для приема ретранслируемых движущимся объектом сигналов и устройство

133

для определения местоположения, соединенное с обоими приемниками центральной станции. 22. Ohta T., Nakano H., Miyazaki M. Заявка ЕПВ N0508405: G01S 5/14 – “Sharp Kabushiki Kaisha”. (Japan – заявл. 12.04.91, опубл. 08.04.92). Устройство для определения координат своего положения с помощью глобальной навигационной сис-темы и приемник для глобальной навигационной системы. – Подвижные объекты осна-щены аппаратурой, осуществляющей прием сигналов глобальной спутниковой системы (СРНС) (в частности – GPS), преобразование в цифровые сигналы и передачу сигналов на центральную станцию, где определяется местоположение подвижных объектов. 23. Заявки ЕРВ: N0509775: G01S 5/14, N0509776: G01S 5/00, G08G 1/01, N0509777: G01S 5/00, G08G 1/01 – “Pioneer Electronic Corp.” (Japan – заявл. 19.04.91, опубл. 15.04.92). Система для дистанционного контроля и управления движущимися объектами. – Система содержит центральную станцию, движущиеся объекты, систему радиосвязи. Движущиеся объекты снабжены аппаратурой, определяющей местополо-жение по сигналам GPS и передачу данных местоположения на центральную станцию. На центральной станции формируется изображение, несущее информацию о положе нии контролируемых объектов и картографические данные. Три варианта системы обеспечивают три режима: работу без запроса (N0509775), передачу данных по запросу с центральной станции (N0509776), передачу рабочей информации на движущиеся объекты (N0509777). 24. Заявка ЕРВ N0512789: G01S 5/14, 5/00 – “Navsys Corp.” (USA – заявл. 09.05.91, опубл. 05.05.92). Система для сопровождения движущихся объектов с исполь-зованием сигналов глобальной спутниковой системы радиоопределения положения. – Система содержит центральную станцию, движущиеся объекты, систему радиосвязи. Движущиеся объекты снабжены аппаратурой, осуществляющей прием сигналов СРНС (GPS), их преобразование и передачу на центральную станцию. На центральной стан-ции вычисляется положение движущегося объекта, которое воспроизводится на инди-каторе. Принятые данные используются для формирования командных сигналов, посы-лаемых на движущиеся объекты по каналу радиосвязи. 25. Tamai H., Abe T. Патент США N5291412: G06F 15/50 (364/449; 364/444) – “Zeхel Corp.” (Japan – заявл. 24.03.92, опубл. 01.03.94). Навигационная система. Navi-gation system. – Система (вычислительная) проводки НТС по данным геомагнитного компаса и спидометра с помощью картографического обеспечения по маршруту. Информация о предстоящем повороте или отклонении от маршрута высвечивается на дисплее водителя. Представленные патенты позволяют познакомиться с инженерными “первоисточниками” в области ТИУРЭС, а по соответствующим классифика-торам

134

– проследить дальнейшее развитие патентование в интересующем направлении вплоть до сегодняшнего дня. 5.8. Правовое обеспечение проектов ТИУРЭС Что касается правовых вопросов, связанных с разработкой и реализацией ТИУС, то они относятся к трем компонентам ТИУРЭС: • приобретение и эксплуатация приемоизмерителей спутниковых РНС; • приобретение, арендование и эксплуатация аппаратуры канала радиосвязи в РСДУ; • приобретение или создание электронно-картографического обеспечения ТИУС. Относительно ПИ спутниковых РНС отдельная нормативно-правовая база в настоящее время недостаточно разработана. Эти ПИ отнесены к радиоэлектронным средствам и высокочастотным устройствам, сертификацию которых на предмет использования на территории Российской Федерации осуществляет Государственный радиочастотный центр (Россвязьнадзор) совместно с Федеральной службой геодезии и картографии (Госкартография). Поэтому прежде всего следует выяснить актуальность юридических документов, регламентирующих деятельность государственных органов в области радиосвязи. В глобальном масштабе вопросами регламентации радиосвязи занимается Международный консультативный комитет по радио (МККР), входящий в Международную электротехническую комиссию (МЭК), и Международный комитет регистрации частот (МКРЧ). Первичными документами МККР и МКРЧ руководствуется Государственный комитет регистрации частот (ГКРЧ) Российской Федерации. При создании новых и модернизации существующих систем СПР необходимо от ГКРЧ получить разрешение на использование согласованной с ГКРЧ полосы радиочастот. Деятельность в области радиосвязи контролирует на территории России Главное управление государственного надзора за связью в РФ (Госсвязьнадзор), имеющее региональные управления Госсвязьнадзора, и определяется Федеральным законом «О связи» (Собр. законодательства РФ, 1995, N8, ст. 600), а также развивающими и дополняющими его постановлениями Правительства РФ. В частности, приобретение средств СПР на территории РФ определяется «Особыми условиями приобретения радиоэлектронных средств и высокочастотных устройств», утвержденными постановлением Правительства РФ от 17 июля 1996 г. N 832, и соответствующей им инструкцией Госсвязьнадзора «О порядке оформления разрешений на ввоз из-за границы радиоэлектронных средств и высокочастотных устройств» от 8 августа 1997 г. «Особые условия» к радиоэлектронным средствам относят также системы радионавигации и радиоопределения; в частности – геодезические спутниковые приемники и спутниковую навигационную аппаратуру. Контроль за вводом, приобретением и эксплуатацией на территории РФ этой аппаратуры осуществляет Госсвязьнадзор совместно с Госкомитетом по надзору за топографо-гео-

135

дезической и картографической деятельностью в РФ (Госгеонадзор), которые имеют свои территориальные управления. Порядок использования в РФ спутниковой навигационной аппаратуры на наземном транспорте регламентируется постановлением Правительства РФ «Об использовании в РФ глобальных навигационных спутниковых систем на транспорте и в геодезии» от 3 августа 1999 г., N 896. Подключение Госгеонадзора к контролю за использованием ПИ спутниковых РНС вызвано интересами информационной государственной безопасности, как и в случае геодезической деятельности на территории России, поскольку с помощью таких ПИ возможна очень точная геодезическая привязка точек земной поверхности к системе картографических координат СК-42. Такими же интересами государственной безопасности США вызвано и введение в американскую спутниковую РНС GPS режима селективного доступа, не позволяющего проводить однократное местоопределение по сигналам SPS (С/А-коду) с погрешностью менее 100 м. Госгеонадзор лицензирует все спутниковые ПИ на соответствие информационной (геодезической) безопасности при их эксплуатации на территории России. Основной критерий здесь следующий: приемоизмеритель не должен позволять осуществить однократное радиоопределение точек земной поверхности в системе геодезических координат СК-42 с точностью, лучшей 70-100 м. Для осуществления работ по электронно-картографическому обеспечению ТИУС необходимо получить лицензию Госгеонадзора. Лицензирование осуществляется в соответствии с «Положением о лицензировании отдельных видов топографо-геодезических и картографических работ» и «Перечнем видов топографо-геодезических и картографических работ, подлежащих лицензированию на территории РФ», определенных постановлением Правительства РФ от 26 августа 1995 г., N 847, а также «Положением о лицензировании картографичесческой деятельности», утвержденным постановлением Правительства от 28 мая 2002 г., N 360. Эти документы соответствуют Федеральному закону «О геодезии и картографии» N 209-ФЗ от 26.12.1995 г. При разработке конкретной системы ТИУРЭС следует помнить еще об одном правовом вопросе: о патентной чистоте системы. Даже если принятые технические решения были “придуманы” независимо от запатентованных, это не освобождает разработчика и заказчика от юридической ответственности за нарушение патентного права: использование запатентованных технических решений без разрешения патентодержателя. Ответственность за нарушение патентного права определяется международными соглашениями: “Страсбург-ская конвенция 1963”, “Мюнхенская конвенция о европейском патенте 1973”, “Люксембургская конвенция о патенте для Общего рынка 1975” и др.

136

Контрольные вопросы 1. Что такое общий менеджмент, бизнес-менеджмент и проектменеджмент? 2. Организация, фазы ее развития, особенности фаз развития организации. 3. Понятие проекта, особенности технических проектов. 4. Жизненный цикл проекта. Структура жизненного цикла проекта. 6. Участники технического проекта и их функции. 7. Структура технического задания и бизнес-плана технического проекта. 9. Как рассчитать требования по точности координатного обеспечения РСДУ и спроектировать соответствующую навигационную подсистему? 10. Как оценить эффективность применения РСДУ? 11. Основные направления и классы для патентования в области ТИУРЭС. 12. Вопросы лицензирования и сертификации в ТИУС. Правовое обеспечение проектов ТИУРЭС.

137

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Объективный процесс глобализации мировой экономики приводит к глубокому международному разделению труда, при котором различные товары и услуги производятся в тех регионах, где – в силу природных и социальных особенностей данного региона – производство данного товара или услуги наиболее рентабельно. В этих условиях их конечная стоимость будет зависеть от экономической эффективности транспортных затрат на доставку товаров или потребителей к месту потребления. Поэтому эффективность глобальной экономики в целом существенно зависит от качества и стоимости грузопассажирских перевозок. Эффективность этих перевозок, в свою очередь, зависит как от качества глобальной и региональной транспортной инфраструктуры, так и от эффективности работы систем оперативного управления транспортными перевозками. В настоящее время определено девять общеевропейских транспортных коридоров и один – евроазиатский, на которых совместными усилиями заинтересованных стран в ближайшие годы будет создана перспективная инфраструктура евразийской транспортной сети, обеспечивающая беспрецедентную надежность, безопасность и эффективность грузопассажирских перевозок. Североамериканский субконтинент с Евразийским будет соединен сетью современных высокоэффективных морских коридоров, а также трансполяр-ными воздушными коридорами, идущими от северных регионов США через Северный полюс до стран Азиатско-тихоокеанского региона и Индии. При этом девятый европейский сухопутный транспортный коридор, сухопутный евразийский и воздушные американо-азиатские коридоры на значительном своем протяжении проходят через территорию России. Эффективность оперативного управления мультимодальными (многовидовыми) грузопассажирскими перевозками на этих инфраструктурах будет обеспечиваться современными транспортными информационно-управляющими радиоэлектронными системами (ТИУРЭС). Количество таких систем, которые активно внедряются в существующие транспортно-технологические комплексы различных регионов мира, экспоненциально растет. В связи с этим, начиная с 1998 г. в ряде технических университетов США и Канады начата подготовка специалистов по эксплуатации ТИУРЭС. В России такого рода специалистов в 1998 г. начал готовить факультет радиоэлектроники СЗТУ. Настоящее учебное пособие предназначено для подготовки специалистов по системотехническому проектированию, интеграции и эксплуатации ТИУРЭС, в основном – для автомобильного транспорта. В нем даны основные сведения по системотехническому проектированию ТИУРЭС, по основным составным частям ТИУРЭС (навигационное, телекоммуникационное и электронно-картографическое обеспечение), а также по управлению реализацией проектов (проект-менеджменту) ТИУРЭС и его информационно-правовому обеспечению. Учебное пособие может оказаться полезным всем специалистам транспортно-технологических комплексов России, от которых зависит практическое внедрение на различных видах транспорта перспективных транспортных информационно-управляющих радиоэлектронных систем. 138

ЛИТЕРАТУРА Основная: 1. Гуткин Л. С. Проектирование радиосистем и радиоустройств.– М.: Радио и связь, 1986. 2. Закатов П. С. Курс высшей геодезии.– М.: Недра, 1964. 3. Информационно-управляющие человеко-машинные системы: Справочник /А.Н. Адаменко и др.– М.: Машиностроение, 1993. 4. Кабушкин Н. И. Основы менеджмента. – Минск: «ФУА», Экономпресс, 1997. 5. Лисицкий Д. В. Основные принципы цифрового картографирования местности. – М.: Недра, 1988. 6. Радиотехнические системы./ Под ред. Ю. М. Казаринова.– М.: Высш. шк., 1990. 7. Сухопутная подвижная радиосвязь: В 2 кн./ И. М. Пышкин, И. И. Дежурный, Р. Т. Пантикян и др. – М.: Радио и связь, 1990. 8. Управление проектами. Project Management: Учеб./ Н. И. Ильин, И. Г. Лукманова, А. М. Немчин и др. – СПб: «Два ТрИ»,1996. Дополнительная: 9. Апорович А. Ф. Проектирование радиотехнических систем. – Минск: Вышэйш. шк., 1998. 10. Бабков В. Ю., Вознюк М. А., Дмитриев В. И. Системы мобильной связи. – СПб: СПб ГУТ, 1999 (СПб: ВУС, 1998). 11. Берлянт А. М. Геоинформационное картографирование. – М., 1997. 12. Дружинин В. В., Канторов Д. С. Системотехника. – М.: Радио и связь, 1985. 13. Кожухов В. П., Григорьев В. В., Лукин С. М. Математические основы судовождения. – М.: Транспорт, 1980. 14. Липсиц И. В. Бизнес-план – основа успеха: Практическое пособие. – М.: «Дело», 1994. 15. Никитенко Ю. И., Быков В. И., Устинов Ю. М. Судовые радионавигационные системы. – М.: Транспорт, 1992. 16. Соловьев Ю. А. Системы спутниковой навигации. – М.: Эко-Трендз, 2000. 17. Шапиро В. Д. и др. Толковый словарь по управлению проектами. – М.: ИНСАН, 1992.

139

Использованная: 18. Багратуни Г. В. и др. Инженерная геодезия. – М.: Недра, 1969. 19. Балясников Б. Н. и др. // Радионавигация и время. – 1993, N 1,2. 20. Балясников Б. Н. и др. // Информатика и вычислит. техника.– 1994, N1. 21. Балясников Б. Н. и др. // Сб. трудов “Междунар. симп. «Современное управление проектами. ИНТЕРНЕТ-95». СПб, 14-16 сент. 1995”. 22. Балясников Б. Н., Худяков Г. И. // Радионавигация и время.–1992, N 1. 23. Бугаевский Л. М., Вахрамеева Л. А. Геодезия. Картографические проекции: Справочное пособие. – Недра, 1992. 24. Васильев А. С., Худяков Г. И., Корниенко В. В.// Радиотехника, 1999. – N 11. 25. Генке В., Полянский А.// Современные технологии автоматизации, 1996.–N 1. 26. ГЛОНАСС. Информационный бюллетень КНИЦ. – 1996, N 1. 27. Инерциальные навигационные системы морских объектов./ Д. П. Лукьянов и др. – Л.: Судостроение, 1989. 28. Кондрашихин В. Т. Определение места судна. – М.: Транспорт, 1989. 29. Крамер Г. Математические методы статистики. – М.: Мир, 1975. 30. Морозов В. П. Курс сфероидической геодезии. – Курс сфероидической геоде-зии. – Недра, 1979. 31. Морозов Л. М., Петухов Г. П., Сидоров В. Н. Методологические основы теории эффективности: Учеб. пособие. – Л.: Изд-во ВИКИ, 1982. 32. Плошко Б. Г., Елисеева И. И. История статистики. – М.: Финансы и стати-стика, 1990. 33. Смирнов Д. А., Худяков Г. И., Шипилов М. М. Телекоммуникационные сети и информационно-управляющие системы: Словарь-справочник. – СПб.: СПбГУТ, 2001. 34. Уилкс С. Математическая статистика. – М.: Наука, 1967. 35. Феер К. Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра. М.: Радио и связь, 2000. 36. Худяков Г. И., // Телекоммуникационные технологии, 1996. – Вып. 2. 37. Худяков Г. И., Васильев А. С. // Радионавигация и время, 1996.–N 1,2. 38. Худяков Г. И., Драбкина О. О. Лабораторный научно-техн. отчет ”Статистич. анализ эксперимент. данных по точности местоопределения наземных трансп. средств с по-мощью сигналов ИФРНС «Чайка» в городских условиях”. – СПб.: РИРВ, 1997.

140

39. Худяков Г. И., Кустов А. Г., Бачурин И. А. // Проблемы транспорта, 2001.– N 6. 40. Balyasnikov B. N. et al. // Proc. 3rd St. Petersburg Int. Conf. «Regional Informatics-94». RI-94, St. Peter. May 10-13, 1994. 41. Bazlov Y. A. et al. GPS World, 1999, V.10. – N 1. 42. Bullock J. B., Krakiwsky E. J. // Proc. IEEE Symp. PLANS’94. Las Vegas, NV. April 11-15, 1994. 43. van Diggelen F. GPS World, 1998, V.9. – N 1. 44. French R. L. // 36th IEEE Vehicular Technol. Conf. Dallas, TX. May 20-22, 1986. 45. French R. L. // GPS World, 1996, V.7. – N 10. 46. Krakiwsky E. J. // GPS World. – 1993, V 4, N 10. 47. Krakiwsky E. J., French R. L. // GPS World. – 1995, V 6, N 10. 48. Lucas R., Ludwig D. // ION GPS’99, 1999. 49. O’Brien A. J., Balogh M. GPS World, 1996, V.7. – N 10. 50. Shaw M., Sandhoo K., Turner D. // GPS World, 2000, V.11. – N 9. 51. Towards an Intelligent Transport System. 1st World Congress. 30 Nov.3 Dec. 1994. France. – Boston, London: Artech House, 1995. Vol. 1-6. – 3394 pp. 52. 1994 Federal Radionavigation Plan. – Springfield, VA: DOD&DOT, 1994. 250 pp.

141

Глоссарий и предметный указатель Автономная система дистанционного управления (АСДУ) – традиционная полудуплексная аналоговая система сухопутной подвижной радиосвязи для речевого диспетчерского управления передвижением наземных транспортных средств: автобу-сов, такси, троллейбусов и т. п. 49, 89 Авторадио (в США: highway advisory radio = HAR, в Зап. Европе: autofaher rundfunk information = ARI) – радиовещательная система информационного обеспече-ния участников дорожно-транспортного движения, использующая опредeлeннyю под-несущую местной радиостанции. 40 Альманах (almanac) – система из шести кеплеровских параметров движения всех навигационных спутников РНС, значения которых периодически включаются в навига-ционное сообщение каждого навигационного ИСЗ. Альманах служит для долгосроч-ного прогнозирования текущего местоположения навигационных ИСЗ спутниковых РНС в приемоизмерителе пользователя. 73 Время восстановления отсчетов (reacquisition = «теплый» старт) – промежуток времени от момента появления на входе приемоизмерителя РНС мини-мального набора радионавигационных сигналов до момента получения первого досто-верного отсчета, если время потери сигналов не превышало 1 мин. 79 Время получения первого отсчета (cold start) – промежуток времени от вклю-чения приемоизмерителя РНС до момента получения первого достоверного отсчета радионавигационных параметров и (или) координат объекта местоопределения. 79 Всемирная геодезическая система координат (в США: World Geodetic System 1984 = WGS 84; в РФ: СГС-85) – абсолютная система геодезических координат, вклю-чающая геоцентрический референц-эллипсоид, систему геодезических координат отно-сительно этого эллипсоида и модель гравитационного поля Земли. Орбиты навига-ционных ИСЗ системы GPS привязаны к системе WGS 84, ГЛОНАСС – к СГС-85. 120 Геодезическая высота (Н) – высота точки околоземного пространства над повер-хностью референц-эллипсоида по нормали к этой поверхности. Высота точки над поверхностью геоида называется ортометрической (orthometric height). 119 Геоид – сглаженная эквипотенциальная поверхность гравитационного поля Зем-ли, совмещенная на акватории Мирового океана с его многолетним средним уровнем и продолженная на сушу по нормалям к отвесным линиям. 116 Геоинформационная система (ГИС, GIS) – совокупность базы данных цифро-вой картографической информации, системы управления базой данных, специализи-рованных программ пользователей ГИС и системы администрирования банка и базы данных. 133 142

Геокодирование (geocoding) – соединение табличных данных адресных файлов с географическим положением картографических объектов цифровой картографической информации. 134 Геометрический фактор РНС (Geometric Dilution of Precision = GDOP) – расчетный коэффициент, выражающий линейную зависимость погрешностей местооп-ределения от погрешностей определения радионавигационных параметров. В спутнико-вых РНС различают также плановый геометрический фактор (для радиальной средне-квадратической погрешности местоопределения в горизонтальной плоскости – HDOP) и высотный – VDOP. 60 ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система) – российская среднеорбитальная сетевая спутниковая РНС, аналогичная американской радионавига-ционной системе GPS. Отличается от GPS большей длительностью элементарных по-сылок (в два раза), частотным разделением сигналов навигационных ИСЗ и отсутст-вием селективного доступа. 72 Городские ущелья (urban canyons) – участки городской территории с плотной застройкой высотными зданиями и сооружениями, на улицах которых возможно сущес-твенное «затенение» сигналов систем УКВ радиосвязи с наземным и космическим базирование базовых станций, а также сигналов спутниковых РНС. 74 Двойной дифференциальный способ использования сигналов спутниковых РНС (Double Difference GPS = DDGPS) – относительный способ местоопределения двух приемоизмерителей по разностям фаз несущей спутниковой РНС, позволяющий фикси-ровать относительное разнесение приемоизмерителей с сантиметровой точностью. 74 Диспетчеризация (dispatching) – оперативные действия радиооператора перево-зок грузов и пассажиров, включенного в автоматизированную транспортную информа-ционно-управляющую систему в качестве ее субъективного элемента и управляющего действиями водителей НТС на определенной территории. 27 Диспетчерский центр (dispatch center) – центр системы диспетчеризации, в кото-ром сосредоточивается информация о передвижении и состоянии транспортных средств, где принимаются и откуда передаются управляющие воздействия на их водителей или на их исполнительные механизмы. 25, 37 Дифференциальный способ использования РНС (differential mode) – способ использования РНС, при котором текущие поправки на условия распространения радионавигационных сигналов определяются в специальной точке (контрольно-кор-ректирующая станция) с известными координатами и используются для уточнения местоположения подвижных объектов в реальном масштабе времени. В спутниковой системе GPS – DGPS. 54 Доступность РНС (availability) – средняя вероятность получения потребителем достоверной навигационной информации в определенный период времени в данном регионе с заданными точностными характеристи143

ками. 56 Интерфейс (interface) – совокупность аппаратурных и программных средств, обеспечивающих взаимодействие функционально законченных элементов в системах сбора, обработки и передачи информации. Поскольку операторы транспортных инфор-мационно-управляющих систем (радиооператор, водители НТС и др.) являются элементами ТИУС, то различают «машино-машинные» (machine-machine) и «человеко-машинные» (man-machine, human-machine) интерфейсы. К последним относятся электронные карты, синтезаторы/анализаторы речи, клавиатура компьютеров, пульты управ-ления и т. п. 29, 32 Код грубой привязки в системе GPS (coarse acquisition = C/A-code) – открытая псевдослучайная бинарная последовательность, передаваемая каждым навигационным ИСЗ на частоте L1, с помощью которой приемоизмерители санкционированных пользо-вателей производят предварительное местоопределение, а несанкционированных – стандартное местоопределение по сигналам системы GPS. Скорость передачи – 1023 кбит/с. 73 Код точной привязки в системе GPS (precision = P-code) – закрытая псевдо-случайная бинарная последовательность, предназначенная для точного местоопреде-ления приемо-измерителей санкционированных пользователей системы GPS («Nav-star»). Скорость бинарного потока – 10,23 Мбит/с, передается на частотах L1 и L2. 74 Комбинированный приемник (composite receiver) – многоканальный приемник, обеспечивающий прием сигналов одновременно от нескольких навигационных систем (GPS, ГЛОНАСС, EGNOS, WAAS). Контрольно-корректирующая станция (differential monitor, correction station, reference station, ККС) – станция определения и передачи дифференциальных поправок в спутниковой РНС. 54 Логистика транспортная (logistics) – современная административнохозяйст-венная система управления рациональной деятельностью транспортных предприятий и организаций в условиях рыночной экономики. 27 Маячки придорожные (beacons) – короткодействующие радиочастотные или инфракрасные приемопередатчики, которые связывают НТС с инфраструктурой систем автоматизированного управления автодорожным движением. 8, 9 Мера точности радионавигационного местоопределения – число, характеризу-ющее степень близости местоположения объекта, полученного с помощью РНС, отно-сительно его истинного или прогнозируемого местоположения. Основная мера точ-ности – плановая радиальная среднеквадратическая погрешность (СКП) местоопре-деления (distance root mean squared = drms); используют также СКП определения геодезической высоты, СКП измерения системного времени, CKП определения составляющих вектора скорости движения НТС, эквивалентный радиус рассеяния и др. 61 Мониторинг НТС (vehicle monitoring) – регулярное наблюдение за передвиже-нием НТС по данной территории для выявления несоответст144

вия режимов или графиков движения НТС, а также для контроля состояния НТС и их водителей с целью своевременного обнаружения и фиксации чрезвычайных дорожно-транспортных ситу-аций с последующим оперативным реагированием на них. 39 Навигационное сообщение (navigation message) – бинарная последовательность, включенная в навигационный сигнал спутниковой РНС и содержащая информацию об эфемеридах навигационного ИСЗ, поправку к системному времени РНС, альманах РНС и т. п. В системе GPS – передается с помощью D-кода со скоростью 50 бит/с. 75 Навигационный параметр (НП) – геометрический или кинематический пара-метр, рассчитываемый по величине радионавигационного параметра и используемый для расчета координат или составляющих скорости движения объекта местоопреде-ления. 52 Надежность РНС (reliability) – свойство РНС сохранять в течение длительного времени работы совокупность своих основных эксплуатационно-технических характе-ристик в заданных пределах. 56 Наземное транспортное средство (НТС: vehicle) – техническое средство пере-возки пассажиров или грузов по поверхности Земли. С точки зрения ТИУРЭС, под НТС понимается любой наземный подвижный объект, на котором можно смонтировать бор-товую аппаратуру ТИУРЭС, с помощью которой можно осуществлять мониторинг НТС: прицепы, мотоциклы, велосипеды, контейнеры, пешеходы, крупные домашние и дикие животные и т. п. 6, 8 Одометр – датчик счисления пройденного автомобилем пути, непрерывно изме-ряющий угол поворота неведущего колеса вокруг горизонтальной оси. Два одометра на одной паре колес образуют дифференциальный одометр, измеряющий пройденный путь и угол поворота автомобиля вокруг его вертикальной оси. 8, 81 Радионавигационная система (РНС) – совокупность взаимодействующих между собой бортовых, наземных и космических радиотехнических средств, осущест-вляющих координатно-временное обеспечение данного класса пользователей. 26, 52 Радионавигационный параметр (РНП) – параметр радиосигнала РНС, величина которого непосредственно измеряется в приемоизмерителе пользователя РНС. Селективный доступ пользователей GPS (selective availability = SA) – искусст-венное искажение по псевдослучайному закону информации о системном времени и эфемеридах, которое не позволяет несанкционированным пользователям получать с помощью сигналов GPS плановую радиальную среднеквадратическую погрешность местоопределения, меньшую 50 м. 73 Сертификация ТИУРЭС – проведение натурных испытаний и оценка незави-симой экспертной комиссией соответствия эксплуатационнотехнических характерис-тик разработанной ТИУРЭС требованиям технического задания и современным базо-вым образцам ТИУРЭС данного ти145

па. Система автоматического определения местоположения НТС (automatic vehicle location = AVL) – система автоматического непрерывного определения теку-щего местоположения НТС в заданной геодезической системе координат с помощью автономных навигационных средств либо с использованием сигналов систем коор-динатного обеспечения данной территории. 39 Система дистанционного опознавания НТС (automated vehicle identification = AVI) – совокупность придорожных маячков и бортовых транспондеров для идентифи-кации НТС на ходу. Применяется также для электронного сбора дорожно-транспорт-ных платежей (toll collection) и обнаружения похищенных автомобилей. Скорость (темп) выдачи навигационной информации (update rate) – число неза-висимых отсчетов РНП или значений координат объекта, определяемых и выдаваемых приемоизмерителем РНС в единицу времени (размерность: с-1). 56 Служба прецизионного местоопределения в системе GPS (Precise Positioning Service = PPS) – средства обеспечения предельной точности местоопределения при однократном радиоопределении по сигналам PHC для санкционированных пользова-телей. Включает в себя сигналы точного Р-кода, излучаемые на двух частотах L1 и L2, и средства устранения влияния селективного доступа. 74 Служба стандартного местоопределения в системе GPS (Standard Positioning Service = SPS) – средства спутниковой РНС, обеспечивающие любому пользователю непрерывное и глобальное местоопределение с плановой радиальной СКП однократ-ного радиоопределения σr = 50 м, высотной σh = 78 м и временной σt = 167 нс. Вклю-чает сигналы С/A-кода, излучаемые только на одной частотe L1, и средства селек-тивного доступа пользователей. 73 Счисление пути (dead reckoning = DR) – расчет текущих плановых координат НТС по координатам начальной точки счисления и показаниям датчиков пройденного пути (или скорости движения) и направления движения НТС. 79 «Теплый» старт (warm start) – время получения первого достоверного отсчета в случае отсутствия в приемоизмерителе только текущей эфемеридной информации. Поз-воляет резко сократить время первого определения местоположения. Транспондер (transponder) – бортовой микропередатчик, излучающий направ-ленный радиосигнал для определения системой придорожных маячков местоположе-ния НТС, его идентификационного номера и состояния. Транспортные информационно-управляющие РЭС (ТИУРЭС: vehicle navi-gation and information systems = VNIS) – автоматизированные РЭС, предназначенные для обеспечения сухопутной навигации, мониторинга и диспетчеризации НТС. ТИУРЭС базируются на интегрированном 146

использовании трех современных информа-ционных технологий: глобального высокоточного координатно-временного обеспе-чения с помощью спутниковых РНС, регионального и (или) глобального телекоммуникационного обеспечения и географических информационных систем (ГИС). 29 Транспортные информационно-управляющие системы (ТИУС: intelligent transportation systems = ITS) – современные автоматизированные многоуровневые человеко-машинные системы, предназначенные для централизованного дистанцион-ного контроля состояния и оперативного управления передвижением транспортных средств, пассажиров, пешеходов и других НТС. ТИУС состоят из парка бортовых радиоэлектронных комплексов (БРЭК), информационной инфраструктуры путей сооб-щения, аппаратурных комплексов центров дистанционного контроля и управления (ЦДКУ) и операторов ТИУС. 27 Управление (management) – совокупность действий оператора, направленных на поддержание или улучшение функционирования объекта управления в соответствии с определенной целью или программой. «Холодный» старт (cold start) – состояние приемника после включения питания, в котором осуществляется поиск навигационных сигналов при априорно неизвестных данных об эфемеридах спутников и альманахе системе. В режиме «холодного старта» у приемника (в том числе – у элементов памяти) полностью отключено питание. 79 Целостность системы (integrity) – способность системы оперативно обнару-живать сбой в своей работе или неправильное функционирование составных частей и своевременно информировать об этом операторов и пользователей системы. 56 Цифровая карта – цифровая форма отображения содержания карты земной поверхности, основанная на цифровых моделях местности и сформированная с учетом законов картографической генерализации в принятых для карт проекции, разграфке, системе координат и высот. 130 Цифровая картографическая информация (ЦКИ) – картографическая инфор-мация, представленная в цифровой форме на соответствующих носителях данных. Матричная (растровая) форма представления ЦКИ – представление ЦКИ в виде харак-теристик, отнесенных к узлам сетки с известными значениями их координат (пикселам). Векторная форма – в виде совокупности связанных векторов и их харак-теристик, соответствующих характерным точкам контуров, полигонов (пространст-венных областей) и местных предметов. 132 Цифровая модель местности (ЦММ) – первичная комплексная цифровая модель участка земной поверхности, содержащая все постоянные элементы местности: рельеф, гидрографию, топографические объекты, местные предметы, ситуации (застройки, мас-сивы и т. п.). 129 Электронная карта – цифровая карта участка земной поверхности, воспроиз-веденная на дисплее и предназначенная для ее отображения, анализа картографической информации и автоматизированного решения задач 147

с использованием дополнительной информации. Выполняет функцию человеко-машинного интерфейса ТИУРЭС. 132 Эфемериды (ephemeris) – система из шестнадцати параметров движения данного навигационного ИСЗ, позволяющая в приемоизмерителе спутниковой РНС в течение одного часа выполнять оперативное прогнозирование местоположения ИСЗ в геоцентрической декартовой системе координат с точностью до единиц метров. Передаются в системе GPS каждые 30с. 73

148

Список основных сокращений АСДУ – автономная система диспетчерского управления БКСН – бортовой комплекс сухопутной навигации БРМД – блок регистрации маршрутных данных БРЭК – бортовой радиоэлектронный комплекс БС – базовая станция ГАТС – городская автоматическая телефонная связь ГИС – географическая информационная система ДМП – датчик местоположения ДДИ – датчики дополнительной информации ДЦ – диспетчерский центр (РСДУ) ИСЗ – искусственный спутник Земли ИФРНС–импульсно-фазовая РНС НП – навигационный параметр НТС – наземное транспортное средство ОС – опорная станция (РНС, ТСС) ПЗУ – постоянное запоминающее устройство ПИ – приемоизмеритель ПК – персональный компьютер ПМО – программно-математическое обеспечение ПО – подвижный объект РНП – радионавигационный параметр РНС – радионавигационная система РСДУ – РЭС (оперативного) диспетчерского управления РСОМ – радиосистема (дистанционной) охраны и мониторинга РЭС – радиоэлектронная система СПР – сухопутная подвижная радиосвязь СРНС – спутниковая РНС ССРС – спутниковая система радиосвязи ТИУРЭС–транспортные информационно-управляющие РЭС ТИУС – транспортные информационно-управляющие системы ТС – транспортное средство ТСС – территориальная система связи ЦДКУ – центр дистанционного контроля и управления ЭКО – электронно-картографическое обеспечение

149