Система определения местоположения объекта

Изобретение относится к области сигнальных устройств, а именно устройств, сигнализирующих о местонахождении перемещающегося объекта с передачей сигналов на центральную станцию, и может быть использовано для мониторинга перемещения транспортных средств и грузов, пассажиров и обслуживающего персонала транспортных средств, персонала предприятий, а также лиц, перемещение которых подлежит контролю.

Известна (WO, заявка 0106401, опубл. 25.01.2001) система контроля за перемещением и состоянием подвижных объектов, содержащая множество радиочастотных идентификаторов, связанных или закрепленных на перемещаемых объектах, взаимодействующих со считывателями, установленными на фиксированных известных расстояниях и передающими информацию на центральный контроллер, обеспечивающий анализ информации для определения местоположения и статуса перемещаемых объектов.

Недостаток такой системы заключается в сложности организации контроля на траектории перемещения, имеющей значительную протяженность, поскольку организация передачи информации со считывателей на удаленный центральный пункт, где расположен контроллер, осуществляющий сбор информации, сопряжена со значительными затратами и не всегда экономически целесообразна. Кроме того, в условиях ухудшения связи возможна потеря информации.

Известны также (RU, патент 2117394, опубл. 10.08.1998) способ и система слежения за подвижным устройством. При реализации способа формируют информацию о первоначальном местонахождении данного подвижного устройства, передают от подвижного устройства информационное сообщение о первоначальном местонахождении данного подвижного устройства, при этом на подвижном устройстве принимают информационное сообщение, описывающее границу, соответствующую границе территории, на которую распространяется соответствующая юрисдикция, определяют, когда подвижное устройство оказывается вне границы, после чего осуществляют передачу информационного сообщения о текущем местонахождении подвижного устройства. Известная система содержит подвижное устройство и управляющее устройство, причем на подвижном устройстве введены датчик местонахождения, приемопередатчик, блок памяти и процессор, соединенный с датчиком местонахождения, с блоком памяти и с приемопередатчиком, а управляющее устройство содержит приемопередатчик для обмена данными с приемопередатчиком подвижного устройства, блок памяти и процессор, соединенный с приемопередатчиком и с блоком управления.

Недостатком известного технического решения следует признать его масштабность, т.к. оно способно эффективно работать только на больших территориях.

Известна (RU, патент 2594019, опубл. 10.08.2016) система для оценки местоположения объекта внутри помещения с использованием устройства генерирования спутникового сигнала с целью обеспечить неразрывную среду для системы оценки местоположения, в которой осуществляется свободный переход между оценками местоположения снаружи и внутри помещения без изменения аппаратных и программных средств пользовательского терминала, система включает: приемную антенну для приема спутниковых сигналов; центральный контроллер для периодического приема и хранения обновлений спутниковой информации в режиме реального времени для всех существующих спутников, получения времени спутника из спутниковых сигналов, принимаемых приемной антенной, и выбора по крайней мере 4 спутников, доступных для оценки местоположения, с учетом обновленной информации от всех существующих спутников, основанной на информации времени спутника; и по крайней мере одно устройство для генерирования спутникового сигнала, принимающее номера спутников, назначенные центральным контроллером, и генерирующее спутниковые сигналы, соответствующие номерам спутников, которые были назначены центральным контроллером; при этом центральный контроллер вычисляет расстояния между существующими спутниками и соответствующим устройством генерирования спутникового сигнала для выбранных номеров спутников, основанные на реальных координатах орбит соответствующих спутников и установлении координат местоположения соответствующих устройств генерирования спутникового сигнала, и посылает время задержки при передаче, рассчитанное как отношение вычисленного расстояния к скорости света, соответствующему устройству генерирования спутникового сигнала, и после чего устройство генерирования спутникового сигнала генерирует спутниковые сигналы, соответствующие выбранным спутникам, таким образом, чтобы имела место задержка, равная времени задержки при передаче, полученная от центрального контроллера.

Недостатком известной системы следует признать техническую сложность его реализации, обусловленную использованием спутников сложность.

Данный источник информации принят в качестве ближайшего аналога разработанного технического решения.

Техническая проблема, на решении которой направлено разработанная система, состоит в разработке универсальной системы определения местоположения повышенной точности внутри и вне помещения.

Технический результат, достигаемый при реализации разработанной системы, состоит в обеспечении возможности быстрого поиска перемещающихся объектов, а также движимого имущества на территории опасных производственных объектов и режимных предприятий с использованием систем активной радиочастотной идентификации.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанную систему определения местоположения объекта внутри помещения. Разработанная система содержит центральный сервер комплекса, по меньшей мере, одно рабочее место пользователя, по меньшей мере, один опорный узел комплекса, по меньшей мере, два высокочастотных радиосчитывателя, разнесенных в пространстве, по меньшей мере, один низкочастотный излучатель, а также радиометки, при этом центральный сервер комплекса представляет собой промышленный ПК с инсталлированным программным обеспечением, рабочее место пользователя представляет собой персональный компьютер с установленным программным обеспечением и выполненный с возможностью подключения его к системе видеоотображения и видеокоммутации, позволяющей отображать требуемый объем графической информации одновременно, опорный узел комплекса представляет собой программно-аппаратный комплекс, выполненный с возможностью считывания радиометок и идентификации их характеристик с последующей передачей полученной информации о считанной метки в центральный сервер комплекса, высокочастотный радиосчитыватель выполнен в виде аппаратно-программного устройства, имеющего интерфейс для связи с центральным сервером комплекса по сети IP, радиоинтерфейс для обмена данными с персональными радиометками, интерфейс управления низкочастотными излучателями, а также 2 «сухих контакта» для управления внешними устройствами, низкочастотный излучатель выполнен в виде аппаратно-программного устройства, излучающего низкочастотный радиосигнал, содержащий информацию о своем идентификаторе и выполненный с возможностью приема радиометкой, персональная радиометка представляет собой аппаратно-программное устройство персонального использования, выполненная с возможностью взаимодействия с маяками и считывателями по радиоинтерфейсу, содержащая, по меньшей мере, одну программируемыми кнопки, миниатюрные размеры и низкое энергопотребление, при этом система выполнена с возможностью стыковки с внешними системами путем подключения их подключение к разъему «сухой контакт» или по сети IP.

Используемая радиометка может дополнительно содержать трехкоординатный датчик движения и/или, по меньшей мере, одну "тревожную" кнопку.

В состав системы может дополнительно входить, по меньшей мере, один радиомаяк, принцип действия которого основан на генерации низкочастотного электромагнитного сигнала частотой 125 кГц, модулированного индивидуальным кодом радиомаяка.

Система может быть дополнительно выполнена с возможностью управления внешними исполнительными устройствами.

Разработанная информационно-управляющая система повышенной точности предназначена для быстрого поиска персонала, а также движимого имущества как внутри, так и вне помещений.

Принципиальной особенностью разработанной системы является автоматический выбор режима работы с радиометкой или режима работы с сигналом спутника:

В случае обнаружения радиометки система автоматически выбирает режим позиционирования по радиометке.

В случае отсутствия радиометки, но наличии сигнала спутника система автоматически выбирает режим позиционирования по сигналам спутников.

В случае отсутствия как радиометки, так и сигнала спутника система выдает сигнал тревоги.

Система содержит следующие функциональные компоненты: Радиометка (носимое устройство) - функциональный элемент, конструктивно выполненный в виде нагрудного брелока, с заданной периодичностью излучающий на заданной частоте свой идентификационный код и дополнительную информацию. В универсальной системе определения местоположения радиометка содержит еще и приемник спутниковых сигналов, транслирующий соответствующие данные по сети сотовой связи в Центр обработки данных.

Радиосчитыватель (стационарное устройство) - функциональный элемент, осуществляющий функции приема сигналов от радиометок, фиксирующий время приема с заданной точностью и передающий информацию в центральный сервер для дальнейшей обработки. Радиомаяк (стационарное устройство) - функциональный элемент, осуществляющий функции излучения низкочастотного электромагнитного сигнала управляемого радиуса действия, модулируемого идентификационным кодом маяка.

Центр обработки данных (ЦОД) - комплекс программного обеспечения, устанавливаемого на серверную платформу, осуществляющий функции обработки и хранения полученной от радиосчитывателей информации. ЦОД имеет в своем составе:

Сервер обработки данных реального времени - программное обеспечение, выполняющее функцию приема от радиосчитывателей информационных пакетов от радиометок, сопровождаемых метками времени приема, вычисление локальных координат радиометок, передачу полученных данных на хранение в Сервер баз данных и для дальнейшей обработки в Сервер доступа.

Сервер баз данных - программное обеспечение базы данных, выполняющее функции архивного хранения координат радиометок по времени для дальнейшей обработки, а также карту контролируемого объекта в локальных координатах.

Сервер доступа - программное обеспечение, осуществляющее подготовку данных для работы пользовательских приложений (рабочее место пользователя) и администратора системы.

Генератор отчетов - программное обеспечение, выполняющее функции подготовки отчетов и визуализации данных на основании архивов, хранящихся в базе данных.

Рабочее место пользователя (РМП) - набор программного обеспечения, устанавливаемого на персональную ЭВМ, выполняющий функции визуализации результатов функционирования системы.

Рабочее место администратора (РМА) - набор программного обеспечения, устанавливаемого на персональную ЭВМ, выполняющий функции администрирования программного и аппаратного обеспечения системы.

Высокоточный источник шкалы времени - оборудование, имеющее в своем составе высокоточные часы с возможностью подстройки от спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС/GPC. Выполняет функции синхронизации шкал времени радиосчитывателей с точностью не менее 10 наносекунд, а также организацию канала передачи информационных пакетов, принятых радиосчитывателями от радиометок в сервер обработки данных реального времени.

Система функционирует следующим образом.

Сигнал, излучаемый радиометкой, поступает на приемное устройство радиосчитывателей, находящихся в зоне действия радиометки. Опорные генераторы и аппаратные часы всех радиосчитывателей в системе синхронизированы от единого высокоточного источника шкалы времени.

Контроллер радиосчитывателя формирует сообщение для сервера обработки данных с указанием времени принятия данных от радиометки.

Время получения информационного пакета фиксируется с точностью 10 наносекунд, что соответствует точности определения местоположения радиометки не хуже 3 метров (293796609 м/с × 10нс = 2,93м, где 293796609 м/с - скорость света в воздухе).

На основании данных, полученных от не менее чем 2-х радиосчитывателей, сервер обработки данных реального времени вычисляет местоположение радиометки.

Подстройка опорного генератора радиосчитывателя производится от высокоточного источника шкалы времени путем вычисления разности фаз между тактовой частотой канала SynchroEthernet, синхронизированного от СРНС ГЛОНАСС/GPS, и тактовой частотой опорного генератора с последующей компенсацией измеренной разности фаз.

Подстройка аппаратных часов радиосчитывателя осуществляется путем вычисления расхождения шкал времени между высокоточным источником и радиосчитывателем с последующей динамической компенсацией измеренного расхождения и учетом задержек в соединительных кабелях.

В качестве устройства синхронизации шкал времени и передачи данных от радиосчитывателей используется «Первичный эталонный источник - Сервер синхронизации времени ССВ-01Г», производства ООО «Инностар». В процессе выполнения работ в это изделие будет разработан дополнительный модуль передачи данных и синхронизации по каналу SynchroEthernet.

В универсальной системе определения местоположения радиометка (носимое устройство) содержит приемник спутниковых сигналов, работающий следующим образом.

GPS-приемник позволяет получить орбитальные координаты за сутки всех спутников, время с точностью до наносекунды, текущие дату и точное время отправки сообщения. Такую информацию отправляет каждый спутник. GPS-приемник рассчитывает расстояние до него, а при получении информации от нескольких спутников - взаимное их расположение, а также собственные координаты.

Чтобы определить просто положение на местности (широту и долготу), потребуется поймать сигнал минимум трех спутников, а если нужна еще и высота над уровнем моря - минимум четырех. Это относится к любым спутниковым приемникам. Конечно, чем больше сигналов ловит приемник - тем точнее и быстрее определяется его местоположение.

Принцип определения координат приемника достаточно прост. Они получаются методом обратных засечек от передатчиков спутников. Обо всем по порядку. Передатчик и приемник имеют высокоточные часы. В спутнике они атомные с погрешностью 10^-9 секунды/год. В приемниках часы попроще, но тоже гораздо точнее наручных. Передатчик высылает кодированный сигнал с данными о времени передачи, своей орбите и координатах и многое другое. Сигнал со скоростью света достигает приемника и обрабатывается им. Время передачи и приема различается на незначительную величину, но именно по этим данным можно определить расстояние до спутника. Поэтому и часы должны быть очень точными. Расстояние есть скорость, помноженная на время. Перемножением скорости света и времени прохождения сигнала определяется пространственная засечка. И так происходит со всеми спутниковыми сигналами.

Получается, что в каждый момент времени приемник получает одновременно сигналы от нескольких спутников и определяет свое местоположение относительно их. Понятно, что спутники постоянно движутся по разным орбитам, и приемник не стоит на месте. Учет этих и других факторов ложится на вычислительную мощь приемника и наземных центров управления системой.

Следует отметить, что спутники передают сигналы в закодированном виде на двух модулированных частотах выше. Навигационные приемники, не имеющие специальных дешифраторов (платных), могут обработать только «грубый» открытый код, посылаемый передатчиками. В него преднамеренно введена случайная незначительная ошибка. И именно она обуславливает столь невысокую точность обычных навигаторов. Сделано это из коммерческих соображений - «неиспорченную частоту» нужно покупать. Бытовым навигаторам достаточно точности открытого кода, поэтому они не так дороги.

Результаты своей работы приемник спутниковых сигналов радиометки транслирует по сети сотовой связи в Центр обработки данных, осуществляющий вычисление и хранение локальных координат радиометок.

Установка в индивидуальную радиометку трехкоординатного датчика движения позволяет до определенного уровня контролировать физиологические характеристики сотрудника. Естественное движение тела (в т.ч. дыхание) будет вызывать срабатывание датчика. Кроме того эта технология позволит определить ситуацию, когда сотрудник по какой либо причине не взял индивидуальную радиометку, оставив ее в неподвижном состоянии.

Индивидуальная радиометка предпочтительно содержит в своем составе как минимум одну "тревожную" кнопку. Сценарий реакции системы на нажатие кнопки должен программироваться администратором.

В случае, когда необходима точная локализация местоположения индивидуальной радиометки, например зона входных дверей, предлагается использование дополнительного оборудования - радиомаяков, принцип действия которых основан на генерации низкочастотного электромагнитного сигнала частотой 125 КГц, модулированного индивидуальным кодом радиомаяка. При использовании такого дополнительного метода возможна локализация местоположения радиометок с точностью до 1 метра.

Радиомаяки рационально использовать для контроля проходов и входных дверей, либо контрольных точек перемещения персонала. Каждый радиомаяк программируется на радиус зоны срабатывания. Встроенная функция управления внешними исполнительными устройствами, например замками дверей, позволяет открывать дверь сотрудникам, обладающим соответствующими правами доступа в соответствующую зону безопасности, без использования ключа. При попадании радиометки в зону действия маяка, контролирующего данный проход, на замок подается разблокирующее управляющее воздействие. Замок при этом открывается при простом нажатии на ручку.

Для реализации этой функции предполагается использование специализированного электромеханического замка. Он представляет собой электромеханический соленоидный замок для сплошных дверей с управлением от ручек. Подходит для использования во входных дверях, так как внутренняя ручка всегда открывает дверь. Замок фиксируется автоматически при закрывании двери; выход ригеля 14 и 20 мм. Внутренняя ручка действует всегда. Наружная ручка управляется внешним воздействием. Если управляющее воздействие есть - наружная ручка действует, если отсутствует - не действует.

В результате интеграции будут реализованы следующие функции:

- обеспечение идентификации «свой/чужой» при фиксации системами видеонаблюдения проникновения в контролируемые зоны безопасности (например, проход в тоннель метрополитена); обеспечение видео сопровождения задаваемого сотрудника;

- обеспечение видео сопровождения задаваемого сотрудника.

Разработанная система может быть использована для обеспечения технологической безопасности в зданиях и на территории авто и железнодорожных вокзалов, аэропортов, метрополитенов, мониторинга перемещения экскурсионных групп по помещениям музеев и выставок, контроль местоположения, маршрута следования, графика передвижения и физического состояния сотрудников подразделений по охране специальных и коммерческих объектов, мониторинг местонахождения лечащего персонала и движимого оборудования в лечебных учреждениях, поддержка персонала, поддержка безопасности пациентов, наблюдение за оборудованием.