Система глобального автоматического контроля в режиме реального времени параметров состояния объектов

Система глобального автоматического контроля в режиме реального времени параметров состояния объектов

Реферат

Изобретение относится к системам контроля (слежения) в режиме реального времени на глобальных территориях поверхности Земли подвижных и стационарных объектов и окружающей среды, который осуществляется в виде измерения выбранных параметров объектов, характеризующих их состояние, и регулярной передачи установленных объемов (посылок) информации потребителям, а также передачи поисково-спасательным службам информации о местах и характере чрезвычайных происшествий (катастрофа, проявление терроризма и т.п.).

Проекты систем, обеспечивающие возможность решения задачи контроля собственно состояния объекта (в том числе местоположения), его элементов, окружающей среды в режиме реального времени представлены группой патентов [3-5]. Результаты изучения этих систем показали наличие в них общих свойств, которые заключаются в следующем:

использование в составе абонентского терминала блока измерительной аппаратуры, включающей разнообразные датчиковые устройства, имеющие значительную информационную производительность (такие как видеоустройства);

преимущественное использование наземных радио- и телефонных линий связи для передачи целевой информации на потребительские пункты.

Особенности и тенденции построения систем контроля физического состояния объектов, отмеченные в рассматриваемой группе известных авторам патентов, показывают их ориентированность на использование в качестве систем территориального, местного, объектового уровня, что принципиально ограничивает их возможности.

Среди известных аналогов предлагаемой в изобретении системы имеется действующая глобальная спутниковая система обнаружения мест и определения координат потерпевших катастрофу транспортных средств КОСПАС-САРСАТ [6]. В этой системе в качестве абонентского терминала используется аварийный радиомаяк для подачи на специально выделенных частотах 406...406,1 МГц сигналов бедствия, которые через один из шести искусственных спутников Земли (ИСЗ), расположенных на низких орбитах, передаются на пункт приема информации. Здесь по доплеровскому сдвигу частоты определяются координаты места излучения сигналов с точностью до 3000 м. Вследствие принципиальных особенностей баллистического построения орбитальной группировки ИСЗ периодичность попадания любого места на поверхности Земли в поле видимости одного из ИСЗ-ретрансляторов может достигать 2-3-х часов, что и определяет оперативность доставки информации пользователю. Из сказанного следует, что в системе КОСПАС-САРСАТ определяется единственный параметр контролируемого объекта - местоположение с точностью 3000 м при оперативности доставки информации потребителю в пределах 3 часов. Для решения более сложных задач с учетом современных требований к эффективности применяемых средств рассмотренная система имеет недостаточный уровень технических характеристик и возможностей, что является следствием использования в ней устаревших технологий.

Имеется патент на глобальную космическую автоматизированную систему контроля за подвижными объектами [2], которая представляет собой модернизированный вариант системы КОСПАС-САРСАТ. В этой системе предложено использовать в составе аварийного радиомаяка приемник сигналов космических навигационных систем (КНС) Глонасс/GPS, что обеспечило возможность реализовать в системе определение текущих координат радиомаяка с точностью порядка 100 м. Оперативность доставки информации потребителю осталась на уровне 3 часов.

Модернизированная система так же оставалась узко специализированной по назначению - определение местоположения контролируемых объектов - и не удовлетворяла требованию работы в реальном времени.

Известна система глобального автоматического контроля транспортных средств при нормальных и экстремальных условиях [1], способная решать ту же задачу, что и КОСПАС-САРСАТ, но с более высокой эффективностью, чему способствует:

использование в составе аварийного радиомаяка приемника сигналов КНС Глонасс и GPS;

использование группировки ИСЗ-ретрансляторов, размещаемых равномерно на геостационарной орбите Земли.

Первый фактор обеспечивает возможность определения координат объектов с точностью не хуже 100 м в условиях глобального обзора поверхности Земли в пределах ±70 градусов широты. Второй фактор обеспечивает возможность передачи информационных «посылок» с данными о текущих координатах контролируемого транспортного средства в режиме практически реального времени (1...2 мин). Однако в связи с тем, что при этом не были дополнительно введены соответствующие инженерно-технические решения, система не имеет ресурсов для расширения состава решаемых задач.

Эта система принята за прототип системы, предлагаемой в настоящем изобретении.

Цель изобретения состояла в построении системы глобального контроля объектов в реальном времени, при этом термин глобальность подразумевает как количество контролируемых объектов, так и размер обслуживаемых территорий, удовлетворяющих ожидаемым потребностям Российской Федерации.

Заявленная в изобретении система глобального автоматического контроля в режиме реального времени параметров состояния объектов содержит в своем составе наземный комплекс абонентских терминалов 1 (см. фиг.1), космическую группировку ИС3-ретрансляторов 2 на геостационарной орбите, наземные пункты приема и обработки информации (ППОИ) 3, региональные станции приема информации 4, используемые ИСЗ систем космической навигации 5.

Абонентский терминал (AT) является отдельным изделием, которое размещается на контролируемом объекте (пункте) и содержит приемник сигналов КНС ГЛОНАСС/GPS для определения точного местоположения, типовой стандартизованный комплект датчиковой аппаратуры для измерения параметров, характеризующих состояние контролируемого объекта, двухчастотный радиопередатчик для передачи структурированных «посылок» информации в нормальном (штатном) и аварийном режимах, автономный источник питания (при необходимости), приемную антенну для приема сигналов КНС, передающую антенну для передачи целевой информации, аппаратуру сопряжения компонентов изделия. Передатчик AT должен работать на двух частотах: штатной - в диапазоне 401...403 МГц, выделенном специально для сбора данных с наземных измерительных устройств; аварийной - в диапазоне 406...406,1 МГц, выделенном специально для аварийного оповещения. Мощность радиопередатчика должна быть достаточной для работы с геостационарным ИСЗ на наклонных дальностях до 40000 км. Переключение передатчика с штатной частоты на аварийную может осуществляться автоматически по данным определенного измерительного датчика или одного из датчиков (из целевого блока), достигшего пороговых значений измеряемого параметра, или вручную.

Разные типы AT содержат различные комплекты измерительной аппаратуры, в состав которых могут входить датчики для измерения температуры, влажности, давления, линейных нагрузок, распределенных нагрузок, уровня радиации, состава газов, концентрации растворов, датчики наличия контакта, а также другие датчики по требованию потребителей.

Использование типовых стандартизованных AT, каждый из которых оснащен соответствующим комплектом измерительных датчиков, является отличительной особенностью системы в предлагаемом изобретении, обеспечивающей системе способность выполнять автоматический контроль физического состояния объектов (окружающей среды).

Группировка ИСЗ-ретрансляторов на геостационарной орбите Земли реально может включать до пяти аппаратов, от чего будет изменяться размер контролируемой территории или территорий (варианты системы). При количестве ИСЗ в системе более 3-х, равномерно размещенных по орбите, обеспечивается сплошной обзор поверхности Земли в пределах ±70 градусов по широте. Свойство геостационарного ИСЗ находится практически неподвижно относительно поверхности Земли и применение на борту приемной антенны бортового радиоретранслятора с диаграммой направленности, покрывающей весь видимый диск Земли (угол диаграммы направленности не менее 18 град), обеспечивают условия мгновенной ретрансляции радиосообщений, то есть работу системы в режиме реального времени.

Пункт приема и обработки информации (ППОИ) предназначен для приема первичной информации от AT через ИСЗ-ретранслятор, ее подготовки для передачи пользователям, сопряжения с наземными линиями связи (телефон, Интернет) для передачи информации близко расположенным пользователям. Кроме того, на ППОИ возлагается еще одна важная функция. В связи с тем, что количество абонентов системы ожидается на уровне десятков-сотен тысяч единиц, безошибочная доставка информации потребителям в режиме реального времени составляет отдельный проблемный вопрос. Решить этот вопрос предлагается путем непрерывной «сортировки» первичной информации по признаку региональной (территориальной) принадлежности в «пакеты», которые кодируются и передаются с ППОИ по линиям космической связи, не содержащим устройств запоминания информации, на региональные спутниковые станции приема информации, входящие в состав системы.

Каждый ППОИ сопряжен с конкретным ИСЗ-ретранслятором, поэтому общее их количество в системе не может быть меньше количества ИСЗ в группировке, если не используются специальные технические решения (межспутниковая связь, например).

Реализация в системе «сортировки» информации на «пакеты» по признаку территориальной принадлежности и передача кодированных «пакетов» по космическим радиолиниям связи на соответствующие дополнительно введенные территориальные станции приема информации отличает предлагаемую систему от прототипа. Указанные отличия способствуют массовому обслуживанию абонентов системой в режиме реального времени с оперативностью, оцениваемой авторами величиной в пределах 1...2 мин.

Региональная станция приема информации представляет собой типовую приемо-передающую радиостанцию космической связи. В приемном канале осуществляется прием «пакетов» информации по контролю состояния объектов региональных потребителей. Одновременно региональная станция служит одним из AT системы, передавая информацию на частотах 401...403 МГц.

Принцип функционирования системы состоит в следующем.

Постоянно находящиеся в активном режиме абонентские терминалы 1, представленные на чертеже, с заданной периодичностью передают «посылки» целевой информации по лучу 1→2. «Посылка» информации объемом, оцениваемым в пределах 1500 бит, должна содержать идентификационный код потребителя, метку времени, содержание сигнала КНС, данные о состоянии измеряемых параметров контролируемого объекта. Эта информация через геостационарный ИСЗ-ретранслятор 2 по лучу 2→3 поступает на ППОИ 3. ППОИ осуществляет обработку информации к виду, пригодному для потребления, и формирование «пакетов» по принципу принадлежности контролируемых объектов, для которых «пакеты» содержат информацию, конкретным регионам, где оборудованы радиостанции приема спутниковой информации. Поэтому «пакеты» информации с ППОИ по лучу 3→2 передаются на геостационарный ИСЗ-ретранслятор 2 (или ИСЗ-ретранслятор другой космической системы связи) и далее по лучу 2→4 на региональные станции приема информации 4, которые связаны с диспетчерскими пунктами потребителей и центрами поисково-спасательных служб.

«Пакеты» информации с ППОИ через соответствующие устройства сопряжения могут быть переданы также в сеть Интернет и по наземным линиям связи в близлежащие пункты потребителей.

Информация аварийного оповещения на частотах 406...406,1 МГц, передаваемая в эфир AT, одновременно автоматически принимается системой КОСПАС-САРСАТ и поступает в соответствующие службы реагирования.

Изобретение может быть использовано для информационного обеспечения различных организованных структур от федеральных до местных (объектовых) при решении комплексных совместных и взаимно связанных задач следующего типа: выявление тенденций в формировании транспортных потоков и организация рациональных транспортных грузоперевозок; организация рационального диспетчерского обслуживания транспорта; определение эффективности режима охраны объектов, территорий, зон; обнаружение точных мест нахождения похищенных объектов; определение своевременных сроков технологического обслуживания удаленных крупных сооружений, конструкций, защитных объектов (полигонные комплексы, мосты, плотины, защитные ангары и т.п.); контроль развития гидрометеорологических, гляциологических процессов, процессов эрозии окружающей среды и др.

Список использованных источников

1. Патент RU 2158003 МПК G01S 7/00.

2. Патент RU 2284550 МПК G01S 13/06.

3. Патент RU 2267811 МПК G07C 5/10.

4. Патент RU 2257616 МПК G07C 5/08.

5. Патент RU 2243594 МПК G08G 1/123.

6. Л.М.Невдяев. Мобильная спутниковая связь. М.: МЦТИ, 1998 г., стр.41-44.

Система глобального автоматического контроля в режиме реального времени параметров состояния объектов, содержащая орбитальную группировку геостационарных искусственных спутников Земли - ретрансляторов информации, комплекс наземных, сопряженных с ретрансляторами пунктов приема и обработки информации, комплекс наземных абонентских терминалов, каждый из которых включает в себя приемник сигналов космических навигационных систем, передатчик целевой информации, элементы схемы электропитания, приемную антенну, передающую антенну, аппаратуру сопряжения компонентов, отличающаяся тем, что в состав системы дополнительно введен комплекс территориальных радиостанций приема информации от наземных пунктов приема и обработки информации, в алгоритм функционирования которых вводится операция формирования адресных «пакетов» информации, кроме этого, в состав каждого абонентского терминала дополнительно введен комплект датчиковой аппаратуры для измерения физических параметров состояния контролируемых объектов.