·        дорожно-строительные компании, выполняющие работы по проектированию, созданию и ремонту транспортных артерий;

·        строительные организации для мониторинг транспорта, спецтехники, дорогостоящего оборудования, стройматериалов и грузов;

·        организации, предоставляющие услуги перевозки: сетевые торговые компании, сбытовые подразделения, коммерческие перевозчики, осуществляющими заказную транспортировку грузов, корреспонденции и пассажиров;

·        производственные и торговые предприятия (для ежедневного контроля работы агентов и использования ими служебного автотранспорта);

·        оперативные службы (охрана, МЧС, скорая помощь, аварийные службы);

·        спецавтохозяйства;

·        банки, для которых важно отследить перевозку ценных грузов и контролировать работу инкассаторских;

·        простые граждане и водители авто, ежедневно нуждающиеся в информации о пробках, ремонтных работах на дорогах и т.д.

Области применения ГИС на транспорте сегодня крайне разнообразны:

·        безопасность предприятия и прилегающих территорий;

·        моделирование чрезвычайных ситуаций;

·        экологическая оценка;

·        моделирование и мониторинг шумового загрязнения;

·        управление имуществом компаний и контроль за арендой площадей;

·        организация информационных сервисов для пассажиров по плану транспортного предприятия и ближайшему его окружению;

·        управление складскими помещениями;

·        планирования и оптимизациия маршрута следования;

·        оценки и планирования пропускной способности;

·        расчет пассажиропотоков;

·        анализ грузопотоков;

·        управление парком транспортных средств;

·        мониторинг техники;

·        учет уровня расхода и распределения топлива;

·        анализ стиля вождения;

·        идентификации водителя;

·        учета рабочего времени;

·        мониторинг грузов;

·        формирование отчетов;

·        планирования развития социальной инфраструктуры, транспортной сети.

Сегодня многие транспортные предприятия используют в своей повседневной деятельности ГИС и Т для решения вопросов безопасности. С помощью ГИС и Т производится прогнозирование чрезвычайных ситуаций (пожаров, наводнений, землетрясений, селей, ураганов). Рассчитывается степень потенциальной опасности и на основе этого принимается решение об оказании помощи. Оценивается необходимое количество сил и средств для ликвидации чрезвычайных ситуаций, планируется и оптимизируется маршрут движения к месту бедствия, исследуется возможность нанесения ущерба и его последствия для предприятия транспортной отрасли. При моделировании развития чрезвычайных ситуаций используется электронная и атрибутивная информация о потенциально опасных объектах, силах и средствах для ликвидации ЧС и их последствий [3]. В результате моделирования все исходные данные (места источников возникновения ЧС, дислокация сил и средств ликвидации ЧС, проживание людей и т.п.) отображаются на отдельных слоях карты. Изначально подготовка к проведению учебной эвакуации было крайне сложной задачей, так как нужно было анализировать множество планов и несвязных данных. Применение ГИС и Т позволило связать информацию о всех объектах предприятия и отобразить ее на карте. С помощью ГИС и Т удалось разработать различные сценарии проведения эвакуации в зависимости от мест расположения источника ЧС, местоположения и описания противопожарного оборудования, размещения всех дверей и знаков опасности. На основе информации о несчастных случаях и прочих инцидентах, отслеживаемых с помощью ГИС, руководство и служба безопасности могут принять решение о повышении безопасности на территории здания (порта, автовокзала, ж/д вокзала, аэропорта) и на прилегающей территории [4]. Среди таких решений может быть как увеличение количества фонарей в наиболее темных местах, так и расширение штата сотрудников безопасности, поддерживающих правопорядок, например, в ночное время суток.

ГИС и Т могут применяться не только для прогнозирования чрезвычайных ситуаций, но и для определения экологического состояния. Использование ГИС приложений помогает спрогнозировать загрязнение от источников на местности при:

·        дорожно-транспортных происшествиях на автомобильном транспорте;

·        крушении поездов с нефтеналивными цистернами на железнодорожном транспорте;

·        падении воздушных судов на объекты ядерной промышленности;

·        при разливе нефтепродуктов на воде и т.д.

При таких экстремальных ситуациях нужно оперативно и более точно оценить экологический ущерб и выбрать способ ликвидации последствий. Для этого слой электронной карты с результатами экологического моделирования можно наложить на карты растительности или на карты жилых массивов в данном районе. Гис-технологии – хорошее подспорье руководителям, принимающим решения в этой области, ведущее, в конечном итоге, к уменьшению аварий и затрат на ликвидацию их последствий [5].

Итак, использование ГИС-технологий при прогнозировании чрезвычайных ситуаций в транспортной сфере позволяет [6]:

·        моделировать последствия аварий;

·        расчитывать поля концентрации загрязнений;

·        оптимизировать маршруты следования специалистов по транспортным сетям к объектам в зоне ЧС;

·        определять зоны досягаемости для спецсредств при движении по транспортным сетям;

·        определять маршруты стока жидких веществ в случае их разлива или прорыва трубопроводов (более применительно к аэропортам);

·        расчитывать зоны затопления при наводнениях и паводках;

·        координировать работу информационно-справочной системы о потенциально опасных объектах.

Руководство аэропортов, железнодорожной и автотранспортной инфраструктуры, используют ГИС-приложения для отображения уровней шумового загрязнения. Отображение этой информации на ГИС-картах позволяет гораздо быстрее подготовить предложения о проведении административно-организационных, архитектурных и инженерно-технических мероприятий (ограничение движения грузового автотранспорта на внутригородских автомагистралях, своевременный ремонт и содержание в надлежащем порядке дорожного полотна, разграничение улиц и дорог по их назначению, строительство домов со специальной архитектурно-планировочной структурой и т.п.)

Таким образом, ГИС и Т позволяют не только повышать безопасность предприятия, анализировать пассажиро и грузопотоки, планировать перевозки, но и осуществлять управление парком транспортных средств (мониторинг объектов, топлива и т.д.) с учетом особенностей бизнес-процессов транспортного предприятия. Система управления включает GPS-приемник, установленный на автомобиль (локомотив, судно, самолет), координатная информация с которого передается в диспетчерский центр и накапливается в единой базе геоданных. ГИС и Т используются здесь для отображения этой информации в географическом контексте.

В РФ ГИС и Т нашли широкое применение в многообразных сферах и направлениях территориальной деятельности силовых ведомств: МО, МВД, МЧС, ФСБ, ФСО и др. Несмотря на разницу в задачах этих структур, их организацию и т.д., все они работают с пространственно-координированными данными, данными дистанционного зондирования, цифровой картографической информацией, причем не только с целью просмотра, но и анализа.

Системы мониторинга автотранспортных средств, опирающаяся на данные, полученные с помощью систем ГЛОНАС и GPSпредназначена для автоматизированного управления транспортными средствами (ТС) со стороны диспетчерского центра (ДЦ).

Основные функции, выполняемые системами мониторинга [3]:

·        Передача навигационной и телеметрической информации на ДЦ (по запросу; автоматически с дистанционно задаваемым интервалом; по событию).

·        Определение координат места нахождения, скорости и направления движения ТС в привязке к текущему времени в любое время суток при любой погоде с помощью сигналов спутниковых навигационных систем GPS и/или ГЛОНАСС. Среднеквадратичная ошибка (СКО) определения координат – не более 15 м.

·        Накопление навигационной и телеметрической информации в энергонезависимой памяти.

·        Передача информации из энергонезависимой памяти на ДЦ по сотовому каналу связи или по радиоканалу.

·        Представление местоположения ТС в виде условного знака на электронной карте диспетчера.

·        Прием, хранение и отображение на рабочем месте диспетчера навигационной и телеметрической информации, получаемой от ТС.

·        Ввод и хранение информации о ТС (модель, госномер, автохозяйство и др.).

·        Разработка маршрутов следования (в ручном режиме).

·        Учет пробега автомобилей и средней скорости движения ТС.

·        Учет времени простоя ТС.

·        Получение отчетов в бумажном и электронном виде.

·        Осуществление голосовой связи между ДЦ и ТС.

Около 80% всей информации содержит геоданные, то есть разнородные сведения о распределенных в пространстве объектах, явлениях и процессах. Обладание такой координатно привязанной информацией и возможность ее быстрого просмотра и анализа играет важную роль в управлении и развитии транспортной инфраструктуры. Работать с такими данными помогают ГИС и Т. Таким образом, современная экономическая ситуация эксплуатации транспортного комплекса показывает, что эффективная деятельность и развитие рынка перевозок невозможны без модернизации производства и внедрения новых инновационных технологий в данной отрасли, преимущественно, в области организации движения, управлении парком транспортных средств, повышении качества обслуживания, реализации комплексной системы безопасности и т.д.

Одной из основных задач при воздухоплавании является навигация, а при использовании безмоторных аппаратов,  зависящих от восходящих и нисходящих потоков воздуха,  необходимо также определять границы потоков и значения скороподъемности. Здесь на помощь приходит полетный компьютер.

Моя работа предполагает разработку специализированного блока сенсоров и программного обеспечения для смартфона,  позволяющего использовать его в качестве полетного компьютера. Программное обеспечение будет обеспечивать фильтрацию поступающих с сенсоров данных,  а так же их слияние и отображение в удобном интерфейсе. Такое применение значительно расширяет возможности полетных компьютеров по сравнению со специализированными. В ходе работы предполагается решить следующие научные задачи: подбор оптимального по критерию минимизации ошибки типа фильтра Калмана для фильтрации данных с сенсоров, слияние данных GPS/ГЛОНАСС, барометра и блока инерциальной навигации.

Существуют специализированные полетные компьютеры, обладающие определенным функционалом, которые позволяют измерять и отображать:

• скорость изменения высоты (скороподъемность);
• высота полёта (фактическая и над уровнем моря);
• измерение температуры;
• ориентирование на местности с использованием карты;
• измерение скорости ветра;
• скорость движения относительно земли.

На рынке существует большое количество полетных компьютеров разных производителей. На рисунке 1 представлены одни из самых популярных и цены на них. Причем в зависимости от функций и формируется конечная цена. Например, если в полетном компьютере есть система навигации, то такие компьютеры будут иметь цену уже от 300 евро, а это примерно 20тыс рублей. Не все могут себе позволить покупать специализированные полетные компьютеры, но без них полет становится небезопасным.

Рисунок 1 – Производители и цены на полетные компьютеры

У меня возникла идея создания программно-аппаратного комлпекса на базе смартфона, который решит эту проблему.

Данный разрабатываемый комплекс включает в себя:

• сам смартфон или планшет на базе Android OS со специализированным программным обеспечением (ПО), которое будет разработано. В качестве ПО также будет возможность использовать сторонние ПО, такие как Xcsoar или Xctrack, но с рядом ограничений.
• специализированный блок сенсоров – это небольшое устройство, размера примерно 5х3х1.5 см. Планируется выпуск нескольких версий креплений: можно крепить на запястье (особенно актуально для парапланеристов), а также если используются в планерах – то креплениие в кабине пилота.

Связь со смартфоном возможна с помощью Bluetooth или USB. Внешний блок сенсоров будет включать в себя:

• блок инерциальной навигации в составе: акселерометр,  гироскоп,  магнетометр (IvenSense MPU-9250);
• высокоточный барометр (STMicroLPS25HB);
• микроконтроллер;
• батарея.

Прототип блока сенсоров представлен на рисунке 2.

Рисунок 2 – Прототип блока сенсоров

Как и было сказано ранее, в рамках данной работы будет реализовано специализированное ПО на базе Android OS. Прототип данного ПО представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 – Прототип специализированного ПО

Интерфейс в отличие от существующих ПО (таких как Xcsor, Xctrack) более дружелюбный и простой для использования конечными пользователями. Основные характеристики расположены в центре экрана. Маршрут, который прорисовывается на экране позволяет анализировать входные данные: красным цветом отображаются восходящие потоки, а синим нисходящие (т.е. тот момент, когда параплан двигался вниз). Также ПО позволяет записывать данные полетов и сохранять сам маршрут полета. При этом количество записей неограниченно, ограничение только во внутренней памяти используемого смартфона/планшета.

Любой измерительный прибор обладает некоторой погрешностью, на него может оказывать влияние большое количество внешних и внутренних воздействий, что приводит к тому, что информация с него оказывается зашумленной (неточной). Чем сильнее зашумлены данные, тем сложнее обработать такую информацию.

Фильтр — это алгоритм обработки данных, который исключает шумы (или уменьшает их количество) и лишнюю информацию, которая негативно влияет на результат.

В рамках первого этапа работы было проведено сравнение различных фильтров, используемых во многих областях науки и техники.

Выбор пал в сторону фильтра Калмана. Данный фильтр является одним из самых популярных алгоритмов анализа и фильтрации данных. В фильтре Калмана есть возможность задать входную информацию о характере системе, связи переменных и на основании этого построить более точную оценку, но даже в простейшем случае (без ввода априорной информации) он показывает себя очень хорошо.

Работа фильтра состоит в следующем:

1. Этап прогнозирования, когда прогнозируется, как будут вести себя величины (значения) в следующий момент времени (с учетом неточности).
2. Далее происходит измерение величин.
3. Анализируются прогнозируемые данные и те данные, которые были измерены на втором этапе.
4. Корректируется механизм предположения (также с учетом неточности и зашумленности этой информации).

В результате проведения тестирования алгоритма фильтра Калмана был получен следующий результат, изображенный на рисунке 4.

Рисунок 4 – Результат тестирования

,где:

• синяя линия – обрабатываемые значения;
• красная линия – результат работы фильтра Калмана.

В рамках исследования были проведены также тестирования и других алгоритмов: минимаксный фильтр, медианный фильтр и другие вариации фильтра Калмана. Но именно классический вариант фильтра Калмана показал наилучшие результаты.

В итоге схема программного комплекса изображена на рисунке 5. Входными данными являются: показатели с Инерциального измерительного блока (IMU), GPS/ГЛОНАСС, Барометар/высотомера. Далее эти показатели анализируются, обрабатываются и с помощью фильтра Калмана мы получаем данные с минимизированной погрешностью, которые передаются на блок расчета инерциальной навигации. Так мы получаем более точные выходные данные, такие как высота, местонахождение и скорость, которые мы уже видим на экране своего смартфона.

Рисунок 5 – Схема программной составляющей комплекса

Заключение

Цена разрабатываемого комплекса предполагается ниже, чем у всех текущих разработчиков полетных компьютеров. В отличие от конкурирующих устройств, разрабатываемый комплекс будет иметь более низкую цену за счет того, что основные операции выполняются на смартфоне (т.е. на стороне ПО), а также во внешний блок нет необходимо встраивать экран, так как все данные отображаются на смартфоне.

Кроме того, использование планшета в качестве полетного компьютера позволит отображать большее количество данных, поскольку планшет по сравнению с другими устройствами имеет большую диагональ.

GPS чрезвычайно актуальна сегодня и используется во многих отраслях промышленности для подготовки точных обзоров и карт, проведения точных измерений времени, отслеживания местоположения или местоположения и навигации. Другие отрасли, использующие GPS, включают: сельское хозяйство, автономные транспортные средства, продажи и услуги, военную, мобильную связь, безопасность, беспилотные летательные аппараты и рыбную ловлю. Но что такое GPS, и как он может точно определить наше точное местоположение в любой точке Земли?

Принцип работы

Глобальная система позиционирования (GPS) представляет собой сеть из примерно 30 спутников, вращающихся вокруг Земли на высоте 20 000 км. Система была первоначально разработана правительством США для военной навигации, но теперь любой, у кого есть GPS-устройство, будь то SatNav, мобильный телефон или карманный GPS-модуль, может получать радиосигналы, которые передают спутники.

Где бы ни находился человек на планете, по крайней мере четыре спутника GPS являются «видимыми» в любое время. Каждый из них передает информацию о своем местоположении и текущем времени с регулярными интервалами. Эти сигналы, движущиеся со скоростью света, перехватываются GPS- приемником, который вычисляет, расстояние каждого спутника, которое зависит от того, сколько времени потребовалось для отправки сигнала.

Как только GPS- приемник получит информацию о том, как далеко находятся минимум три спутника, GPS-приемник может определить ваше местоположение, используя процесс, называемый трилатерация (Рис.1).

Рис. 1 – Трилатерация.

Чтобы понять суть данного процесса следует представить, что вы стоите где-то на Земле, а над вами находятся три спутника. Зная, как далеко вы находитесь от спутника A, вы знаете, что должны находиться где-то в красной области (Рис.1). Тогда выяснив свою удаленность от спутников B и C, можно найти свое местоположение, в пересечении трех окружностей спутников. Это именно то, что делает GPS-приемник, хотя он и использует перекрывающиеся сферы, а не круги.

Чем больше спутников находится над горизонтом, тем точнее определяется местоположение.

GPS и относительность

Для сохранения точного времени на борту GPS-спутников находятся атомные часы. Однако общая и специальная теория относительности предсказывает, что между этими часами и идентичными часами на Земле рано или поздно появятся различия.

Общая теория относительности предсказывает, что время будет проявляться медленнее при сильном гравитационном притяжении – поэтому часы на борту спутников будут работать быстрее, чем часы на Земле.

Кроме того, Специальная теория относительности предсказывает, что, поскольку часы спутников движутся относительно часов на Земле, они будут работать медленнее.

Вся сеть GPS должна учитывать эти эффекты – доказательство того, что относительность имеет реальное влияние.

Инновации GPS

GPS в настоящее время продолжает модернизироваться для гражданских лиц, поставив целью повышенную точность определения позиции и более доступную стоимость.

Система России ГЛОНАСС начала функционировать почти в то же время, как GPS в конце 1990-х годов, но пришла в упадок из-за экономических проблем в России. В настоящее время система полностью функционирует и ничем не уступает своему американскому аналогу.

Европа (Galileo) и Китай (Beidou) также работают над подобными системами. Индия и Япония работают над системами, не являющиеся «глобальными». Данные системы будут полностью задействованы к концу десятилетия.

Плюсы GPS

Система GPS была первоначально разработана для армии США, военно-морского флота и военно-воздушных сил, однако с момента внедрения она использовалась в целях, для которых никогда не предназначалась.

GPS используется для предотвращения столкновений при транспортировке, при этом все океанские суда должны сообщаться через систему автоматической идентификации (AIS ).

GPS используется для улучшения посадки современных коммерческих самолетов. Система применяется даже в рыболовстве, позволяя рыбакам точно определить то же самое место ловли, которое они приметили до этого.

GPS используется в приложениях, которые позволяют людям отслеживать своих детей, пожилых родственников и домашних животных.

Система GPS незаменима для аварийных операций, таких как поиск и спасение.

Объединив GPS с мобильной связью, человечество получило новый вид услуг: услуги на основе местоположения (поиск ближайшего туалета, любимого ресторана или магазина; отслеживание бега, езды на велосипеде и т.д.).

Также появились игры на основе определения местоположения. Их разнообразие варьируется от погони и охоты до вождения имитируемого автомобиля в режиме реального времени.

Недостатки GPS

Поскольку GPS устанавливается на телефоны, компьютеры, автомобили и другие устройства, становится все легче их отслеживать. Недостатком является то, что вы можете не захотеть отслеживать. Защита личной жизни становится все более актуальной проблемой.

Без сомнения, использование GPS в корыстных целях будет развиваться в соответствии с технологией.

Заключение

Возможности по использованию GPS пока ограничены относительно плохим подключением к спутниковым каналам при нахождении в зданиях, домах или за чем-либо, что может помешать подключению GPS. Однако с инвестициями и разработками новых спутниковых сетей (например, Galileo, который должен быть завершен в ближайшем будущем), эти проблемы будут устранены. Несмотря на это, GPS по-прежнему предлагает много преимуществ, как упоминалось ранее, и с любой технологией он будет только улучшаться. Однако не стоит забывать о том, что любую систему можно применять и в корыстных целях.