CC BY
71
Е.А. Самойличенко, Н.С. Семунина ИНЕРЦИАЛЬНАЯ НАВИГАЦИЯ
В будущем при спасательных операциях для сохранения множества жизней необходимо разработать надежную систему, способную поддерживать высокий уровень точности и работоспособности. Персонал служб быстрого реагирования с нетерпением ожидает появления надежных систем связи и позиционирования. Такие системы имеют тенденцию к повышению надежности и безопасности во множестве чрезвычайных ситуаций, таких как природные катастрофы, стихийные бедствия, террористические акты, что не маловажно как для органов поддержания правопорядка, так и для вооруженных сил. Надежная индивидуальная система позиционирования дает возможность эффективного управления собственными действиями каждого спасателя, что в свою очередь увеличивает вероятность успешного проведения спасательной операции в целом. К тому же это дает возможность оценить последствия, т. е. анализировать события, которые происходили и как на них реагировали сотрудники служб.
Обзор технологий позиционирования для служб быстрого
реагирования
Технические условия значимые для систем позиционирования, разработанных для служб быстрого реагирования и для военных, могут быть разделены на три основные группы:
1) система глобальной спутниковой навигации;
2) локальные радиосистемы позиционирования;
3) системы навигационного счисления и инерциальной навигации.
В настоящее время технологии приема глобальной системы позиционирования (GPS) являются доминирующими для ориентации транспортных средств и человека. Приемники GPS могут иметь разнообразные конструктивные исполнения, а именно: малогабаритные, легковесные и относительно дешевые. Они могут быть объединены в одном модуле, при этом рыночная стоимость таких модулей составляет менее 4 долларов. Такие приемники могут выдавать местоположение объекта по всему миру, используя стандартное приемное оборудование. В настоящее время существующее изобилие спутников позволяет использовать множество подобного рода систем, таких как работающий российский GLONASS, а также вновь создаваемые системы глобальной спутниковой навигации, такие как европейский Galileo. Точность и работоспособность таких приемников значительно возрастет в последующие 5 - 10 лет. Существуют также некоторые технологии, которые позволяют усовершенствовать исполнение приемников такого типа, например, дифференциальная GPS. Следовательно, СГСН без сомнения являются наиболее приемлемыми, когда речь идет о системах индивидуального позиционирования. Однако в случае столкновения служб быстрого реагирования и военных, их требования к созданию автономных приемников СГСН не могут быть удовлетворены. Для деятельности внутри помещений и в сложной электромагнитной обстановке эти системы практически непригодны. В таких случаях приемникам долж-
на оказываться дополнительная техническая поддержка со стороны других датчиков и систем. Эти дополнительные системы могут представлять собой локальные радиосистемы и системы инерциальной навигации.
Основой для систем позиционирования, предназначенных для служб быстрого реагирования и военных, служат приемники СГСН, которые в ближайшие несколько лет образуют всеобъемлющую систему приемников, принимающих сигналы от нескольких различных систем глобальной спутниковой навигации. Планируется также объединение СГСН с дополнительными вспомогательными системами. Основным вопросом, возникающим при дальнейших исследованиях и разработках, является какие именно датчики и системы следует применять, а также как именно их следует использовать.
Система глобальной спутниковой навигации
Официальные требования к числу пользователей и применению СГСН в течение прошедшего десятилетия постоянно возрастают и в настоящее время продолжают возрастать. На сегодняшний день существует 4 таких системы как действующих, так и находящихся в процессе разработки. Глобальная система позиционирования (GPS) довольно успешно функционирует с 1995 г. Российский GLONASS на протяжении 1996 г. являлся полностью действующей системой, однако в настоящее время число действующих спутников на орбите уменьшилось, а также заметно снизилась работоспособность системы и радиус ее действия. Планируется восстановление полной работоспособности GLONASS к 2010 г. Еще одной попыткой создания СГСН в Европе является система Galileo, запуск которой планируется в 2012-2014 г. На протяжении нескольких лет Китай неоднократно пытался создать собственную СГСН для использования как в коммерческих целях, так и в интересах национальной безопасности. Дальнейшие планы китайцев на этот счет достоверно неизвестны, но известно, что у них есть недавно запущенные спутники, из числа которых в дальнейшем можно сформировать СГСН.
В настоящее время основными требованиями к СГСН являются расширение вплоть до позиционирования внутри помещения, что вызывает трудности у разработчиков приемников, основными из которых являются затухание и многолучевое распространение сигнала. Мощность принимаемого сигнала обычно очень мала в помещении, где небо находится вне зоны прямой видимости. Минимальная мощность GPS сигнала на открытом пространстве составляет 130 дБм, мощность сигнала в помещении обычно снижается на 30 дБ или более.
Технологии локальных радиосистем позиционирования
Существует множество различных технологий локальных радиосистем позиционирования (ЛРСП). При этом мы используем термин «локальные», чтобы различать данные технологии и глобальные спутниковые системы навигации, которые в свою очередь тоже являются радиосистемами. Рассмотренные локальные технологии предназначены для использования в качестве приращения к глобальным системам в целях улучшения характеристик систем навигации для случаев, когда прием ведется в помещении, в туннеле и т. п.
Перечислим основные типы радиосистем навигации:
1) системы связи малого радиуса действия, использующие фиксированную, заранее разработанную инфраструктуру;
2) СВЧ-системы, предварительно смонтированные и расположенные между подвижными объектами;
3) системы позиционирования по времени прихода сигнала и времени задержки сигнала, использующие приемопередатчики с заранее известным местонахождением, расположенные вблизи объекта (компактная инфраструктура);
4) позиционирование при использовании альтернативных сигналов, т. е. телевизионных и FM-радио передатчиков.
Системы навигационного счисления
Некоторые из существующих технологий навигационного счисления применимы и для индивидуальной навигации в различных исполнениях. В данной статье представлен обзор наиболее интересных методов, включая инерциальную навигацию и технологии пешеходной навигации. Однако начнем с обсуждения различных датчиков и их ожидаемой реакции в ситуациях значимых для служб быстрого реагирования и военных. Немаловажным для понимания возможностей и ограничений применения навигационного счисления является изучение реального и ожидаемого поведения датчиков.
Датчики для систем навигационного счисления
Датчики, которые представляют интерес для систем индивидуального позиционирования это: акселерометры, магнитометры, гироскопы и барометрические высотомеры. Все эти датчики обычно группируются и устанавливаются на теле человека, обычно где-то в области торса или на ступнях.
Резюме и рекомендации
В настоящее время поучили широкое распространение телефоны, оснащенные GPS с применением большого количества базовых служб навигации. Несомненно, в будущем ожидается доминирование GPS в таких областях применения, как мобильная телефония и прочие мобильные службы и системы. Само понятие точного позиционирования, при помощи технических средств, предполагает различные способы применения не только для массового потребителя, но и для служб спасения, органов охраны правопорядка, пожарных, военных и т. д. Существующие системы такого рода пока не вполне применимы для служб быстрого реагирования и для правительственной службы обеспечения безопасности жизнедеятельности, их характеристики следует значительно улучшить. Технологии, основанные на GPS или других спутниковых системах, сами по себе уязвимы и в случае возникновения ЭМП или при навигации внутри помещений возникает риск некорректной работы такой системы. Спутниковая система навигации является ключевым компонентом для создания устойчивой системы связи и позиционирования. Системы спутниковой навигации в сочетании с системами радиолокации или системами навигационного счисления и инерци-альной навигации наилучшим образом удовлетворяют запросам пользова-
телей, а именно обеспечивают точность и работоспособность навигационных служб.
В Швеции более 300 компаний с более чем 22 000 служащих занимаются исследованиями проблем обеспечения безопасности. В настоящее время рыночный потенциал в сфере связи и навигации при помощи специальных соответствующих систем и оборудования является существенным. Как в США, так и ЕС около 2 млн. работников служб быстрого реагирования. В нашей стране насчитывается около 35 000 пожарных, спасателей, военных, участвующих в международных спасательных операциях. Использование подобных технологий при производстве бытовой техники и соответственно применении их конечными частными потребителями открывает огромный рынок для беспроводных служб в различных областях, таких как навигация и игровая индустрия. В перспективе технологии и системы позиционирования станут ключевыми компонентами для систем навигации, для систем передачи данных в целях осуществления управления и контроля ходом спасательных операций, а также для систем обработки и отображения информации.
Система испытаний необходима для того, чтобы представить конечному потребителю конкретную технологию, а также для испытаний и моделирования нестандартных стратегий, применяемых в технике. Обратная связь конечного потребителя с научно-исследовательским обществом - это наиболее эффективный способ дальнейшего усовершенствования (детализации и расширения) системы навигации. Немаловажным для дальнейшей реализации и оценки надежности системы навигации является создание опытного образца.
Оборудование, находящееся в условиях электромагнитного противодействия, возникающего как вследствие действия физической среды, так и вследствие электронного противодействия противника, должно функционировать независимо от возникающих помех.
Современные микроэлектромеханические технологии обеспечивает возможность создания малогабаритных датчиков с низким энергопотреблением. Бурное развитие технологий создания датчиков дает возможность получать синтез данных от большого числа разнообразных датчиков для цифровой обработки сигналов. Применение современных алгоритмов цифровой обработки сигналов позволяет использовать микро и наноэлектрон-ные датчики, удовлетворяющие требованиям размера, массы и времени реакции для комбинированных систем индивидуальной навигации.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Rantakokko J., Händel P., Eklöf F., Boberg B., Junered M., Akos D., Skog Is., Bohlin H., Neregärd F., Hoffmann F., Andersson D., Stenumgaard J. and P. Positioning of emergency personnel in rescue operations, - technical report, Stockholm, juli 2007-07-02.
2. Oliver J. Woodman «An introduction to inertial navigation», August 2007.
