CC BY
167
УДК 629.066
В. Т. ЧАН, С. К. КИСЕЛЕВ
ОБНАРУЖЕНИЕ НЕИСПРАВНОСТЕЙ ГЛОНАСС/GPS ТРЕКЕРОВ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Анализируются возможные неисправности ГЛОНАСС/GPS трекеров, возникающие при их эксплуатации. Показаны примеры проявления неисправностей и вызывающих их причин. Рассмотрены методы определения неисправностей, определена возможность их применения для оперативного обнаружение неисправностей трекеров при эксплуатации. Предложена общая схема реализации метода обнаружения неисправностей трекера на основе модели объекта, в котором он используется.
Ключевые слова: ГЛОНАСС, GPS, трекер, неисправность, проявление неисправности, причина неисправности, обнаружение неисправности, модель объекта, признак неисправности, аналитический симптом.
Системы слежения за транспортными средствами основаны на использовании ГЛО-HACC/GPS трекеров, которые появились более 10 лет назад и в настоящее время устанавливаются на многих подвижных объектах от городских автобусов и маршрутных такси до междугородного транспорта.
Интенсивное использование трекеров, появление новых потребностей в управлении и мониторинге привело к развитию систем слежения и их преобразованию в системы интеллектуального управления транспортными средствами с развитыми мультимедийными и пользовательскими сервисами. Так же развивается процесс глобализации — появились тенденции организации всеобщей связи между транспортными объектами и системами мониторинга и управления в разных регионах и странах.
По информации из открытых источников в 2015 году было установлено около 200 тыс. трекеров, а суммарный объём уже установленных приборов контроля составил около 2 млн штук [1]. В ближайшие годы можно ожидать увеличе-
ния темпов роста числа используемых средств слежения.
Использование трекеров позволяет определять, где находятся машины, с какой скоростью едут, сколько топлива потребляют, всё ли в порядке на борту. Их мониторинг позволяет контролировать работу водителей не только больших грузовых автомобилей, но и городских автобусов и маршруток, такси, арендуемых машин (каршеринг), техники для уборки улиц и т. д.
Как работает GPS трекер
Трекер получает информацию о текущих координатах и других параметрах объекта, на котором он установлен, запоминает эту информацию во внутренней памяти и передает её по каналу связи в базу данных. Как правило, для хранения данных используются облачные ресурсы. Существующие системы мониторинга, такие как, например, Wialon [2], Пилот, Форт-Монитор, Омникомм-онлайн оснащены веб-интерфейсом, т. е. для работы с ними нужен только браузер. На рис. 1 показана общая структурная схема обмена данными трекера.
Рис. 1. Схема обмена данными с использованием трекера [3]
© Чан В.Т., Киселев С.К., 2019
Структурная схема GPS трекера
Таким образом, GPS трекер (GPS контроллер) является устройством передачи и приёма информации о координатах транспортного средства, человека и любого другого объекта.
GPS трекер, применяющийся на автомобилях, состоит из нескольких основных элементов, определяющих его свойства, рис. 2.
Прежде всего, это GPS или ГЛОНАСС приёмник, который необходим для определения пространственных координат устройства. GPS приёмник является частью GNSS (англ. Global Navigation Satellite Systems) - спутниковой системы навигации, предназначенной для определения местоположения наземных, водных и воздушных объектов.
В целом GNSS состоит из трёх сегментов: космического, наземного и пользовательского. Космический сегмент представляет собой созвездие спутников. Наземный сегмент включает в себя сеть следящих станций, которые наблюдают за спутниками на орбите и выполняют корректировку их положения. Пользовательский сегмент, включает все приёмники, позволяющие определять местоположение объекта [4]. В настоящее время существует несколько GNSS:
- GPS (Global Position System), управление которой осуществляется правительством США;
- ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система), российская спутниковая система;
- Galileo, европейская спутниковая система;
- Compass, спутниковая навигационная система под управления правительства Китая.
Задача приёмника - принять сигналы со спутников, определить их текущие положения, определить расстояния до спутников, вычислить своё местоположение, скорость, направление движения и отправить эти данные на управляю-
щее устройство. Как правило, все элементы трекера являются функционально законченными модулями.
Так, например, в GPS трекерах Personal cGuard, Beacon cGuard приёмником является компактный GNSS модуль с встроенной антенной Quectel 86 [5].
Связь трекера с базой данных системы мониторинга реализуется передатчиком, который передаёт полученные данные на удалённый сервер в заданном формате.
В качестве передатчика в трекере может использоваться любой GSM модуль или другой аналогичный передатчик, например, на основе беспроводной технологии связи для интернета вещей WAVIOT, реализующей новый энергоэффективный подход LPWAN (Low-power Wide-area Network). Данная технология предназначена для передачи небольшого объёма данных — до 255 байт, от сотен тысяч различных датчиков на расстояние до 50 км по радиоканалу, что хорошо отвечает требованиям систем мониторинга движения транспорта [6].
В GPS трекерах Personal cGuard и Beacon cGuard, например, используется передатчик LPWAN c микроконтроллером AX8052F143, а в трекере Atom cGuard — GSM модуль Cinterion BGS2.
Задача управляющего устройства - связать в единую систему приёмник и передатчик и обеспечить их согласованную работу. Управляющее устройство GPS трекера строится на базе различных микроконтроллеров. В упоминавшихся GPS трекерах Personal cGuard и Beacon cGuard используется микроконтроллер STM32F405RGT6 на базе высокопроизводительного 32-битного ядра Cortex M4 RIsC.
Рис. 2. Структурная схема GPS трекера (на примере Personal производства ООО «Сигард Экспорт» [2]) Вестник УлГТУ 3/2019 47
Трекер содержит собственную внутреннюю память, предназначенную для хранения информации и программного обеспечения. В трекерах Personal cGuard и Beacon cGuard используется FLASH память с SPI интерфейсом объёмом 32 Мбит.
Для отображения процесса работы у трекеров обычно имеются система индикации, она достаточно проста — несколько светодиодов, режим работы которых (непрерывное свечение, мигание и др.) свидетельствует о текущей ситуации в работе устройства. Так в GPS трекерах Beacon cGuard используются два световых индикатора SAT и DAT.
Для расширения функциональности к трекеру могут подключаться дополнительные датчики — датчики уровня и расхода топлива, положения различных частей и агрегатов автомобиля, веса и
др.
Часто помимо модулей для приёма и передачи сигналов трекер оснащается набором дачиков, благодаря которым определяется начало движения объекта (датчик движения) или возникновение внештатной ситуации (дачики крена, удара, вибрации, температуры и др.).
В GPS трекерах Personal cGuard и Beacon cGuard в качестве такого датчика используется МЭМС - акселерометры LIS3DSHTR (MEMS на рис. 2). Трёхосевые акселерометры LIS3DSHTR предназначены для измерения малого ускорения с выводом данных через интерфейс SP1/12C. Они измеряют ускорение по трём осям. Схема обработки сигнала преобразует изменение ёмкости, происходящее при смещении подрессоренных масс внутри корпуса с применением дифференциального принципа. Данное решение позволяет получить высокое разрешение и широкий динамический диапазон при малом уровне собственных шумов.
В трекерах достаточно часто используется датчик удара. Он активирует режим отправки сообщения при срабатывании. Датчик удара GPS трекера является важным элементом системы безопасности автомобиля, благодаря которому владелец получает оповещения об авариях, попытках угона, взлома и других нестандартных ситуациях.
Очевидно, что для работоспособности GPS трекера необходима стабильная работа всех его элементов: канала получения информации - системы GNSS, канала передачи информации -GSM и, естественно, устройства обработки -MKC. Также немаловажна стабильность источника питания прибора POWER (рис. 2).
Выход из строя или нестабильная работа любого из этих элементов приведёт к нарушению работы как самого трекера, так и системы мониторинга.
Проявление неисправностей трекера различно. Анализируя их, можно с определённой точностью указать, какой элемент неисправен, что сократит время диагностики и ремонта устройства.
Для выявления связи между проявлением той или иной неисправности и причиной, её вызывающей, были проанализированы данные, предоставленные фирмой cGuard [2]. Результаты анализа представлены в табл. 1.
Проведённый анализ показывает, что разные неисправные элементы трекера часто имеют одинаковый характер проявления. Так, например, из данных таблицы 1 видно, что нестабильный приём сигнала спутников может происходить из-за неисправности встроенного аккумулятора, неисправности GPS модуля, неисправности супрессора. Проблемы регистрации в сети GSM вызываются неисправностью микросхемы в SIM-карте, неисправностью GSM модема, неисправностями некоторых других элементов трекера.
Для устранения неисправности в работе трекера требуется, во-первых, установить сам факт его неисправной работы, во-вторых, установить причину несправной работы устройства.
Для определения причин неисправности существует достаточно большое количество различных методов:
- внешний осмотр;
- прозвонка элементов и цепей;
- снятие рабочих характеристик;
- наблюдение прохождения сигналов по элементам устройства;
- сравнение функционирования блоков с аналогичными исправными;
- моделирование работы устройства;
- временная модификация схемы;
- включение дополнительного функционального блока вне системы, в условиях, моделирующих систему;
- раздельная проверка функциональных блоков;
- проверка режимов работы элементов;
- задание провоцирующего воздействия и анализ результатов;
- выполнение тестовых программ;
- пошаговое выполнение команд программ;
- анализ наличия типовых неисправностей;
- периферийное сканирование электронных схем.
Таблица 1
Проявление неисправностей GPS трекера
№ Характер проявления неисправности Причина
Канал приёма информации
1 Не обнаруживаются ОР8/ГЛОНАСС спутники Неисправен встроенный аккумулятор Неисправен GPS модуль
2 Малое количество обнаруживаемых ОР8/ГЛОНАСС спутников Неисправен ВЧ тракт прибора
3 Неустойчивый приём сигналов вР8/ГЛОНАСС спутников Неисправен встроенный аккумулятор Неисправен супрессор блока питания
Канал передачи информации
1 Нарушается или нестабильная связь с севером Неисправность GSM канала
2 Некорректная работа GSM Неисправен GSM модем Неисправность микросхемы стабилизации питания
3 Проблемы с регистрацией в сети GSM, пропадание SIM - карты Неисправность микросхемы в SIM-карте, неисправность GSM модема Проблемы тревожной кнопки и виброэлемента
Канал обработки информации
1 Трекер не подключается к конфигуратору Неисправен встроенный аккумулятор
2 Аккумулятор трекера не заряжается Неисправен интерфейсный разъём USB
3 Световая индикация прибора не реагирует на подключение внешнего источника питания Неисправен интерфейсный разъём USB Сбой драйвера интерфейса RS-485 Неисправность контроллера интерфейса RS-485 Неисправность встроенного аккумулятора
4 Цикличное непрерывное мигание световой индикации, при этом прибор не реагирует на подключение по USB Проблемы с питанием у GPS/ГЛОНАСС модуля
5 Прибор не передаёт данные Проблема встроенного программного обеспечения
6 Нестабильное подключение к конфигуратору Неисправен интерфейсный разъём USB
7 Нет индикации принимаемых/передаваемых сигналов Неисправность микроконтроллера или микросхем оперативной памяти
8 Прибор не перепрограммируется через программу - конфигуратор Проблемы с кабелем USB Сбой оперативной памяти
Некоторые из этих методов (наиболее простые и не требующие специальной аппаратуры) могут быть реализованы непосредственно при эксплуатации трекера. Это может быть, например, внешний осмотр - неисправность «Аккумулятор трекера не заряжается», вызываемая неисправностью разъёма USB, может быть обнаружена таким образом. При эксплуатации периодически могут выполняться тестовые программы, которые позволят выявить более сложные случаи неисправностей. Для реализации же большинства методов требуется демонтаж трекера с объекта и использование специальной аппаратуры.
В любом случае факт неисправной работы трекера должен быть первоначально установлен. И делать это лучше непосредственно в процессе эксплуатации.
Для это могут быть использованы методы, основанные на моделировании работы устройства и системы в целом.
Методы обнаружения неисправностей, основанные на модели
За последние 20 лет были разработаны различные подходы к обнаружению неисправностей в сложных устройствах и системах, основанные на применении математических моделей
[7].
Рис. 3. Общая схема обнаружения неисправностей на основе модели объекта
Задача состоит в обнаружении неисправностей в объектах, исполнительных устройствах и сенсорах сложной системы на основе зависимостей между различными измеряемыми сигналами. Эти зависимости выражаются математическими моделями объектов. На рис. 3 изображена базовая схема обнаружения неисправности GPS трекера на основе математических моделей системы «Транспортное средство».
Основываясь на измеренных (известных) входных сигналах, U - заданная траектория движения объекта и выходных Y - реализуемая траектория движения, генерируются невязки r, оценки параметров 0, называемые признаками неисправностей. Сравнение с нормальными значениями признаков позволит обнаружить изменения r, © и в итоге получить аналитические симптомы s, которые будут свидетельствовать о неисправности элемента системы, в данном случае - трекера.
Наиболее сложной частью при реализации данного метода является определение признаков неисправностей © и аналитических симптомов s, которые позволят определить их.
Для решения данной задачи могут быть использованы методы прогнозирования состояния технически сложных объектов и в частности те из них, которые используются для прогнозирования литеральных (возможно аварийных) ситуаций [8, 9]. Основаны такие методы на выявлении нестабильностей коротких временных рядов. В данном применении таким рядом могут быть либо координаты объекта, получаемые с трекера, либо значения других, определяемых с помощью трекера, параметров системы (скорости движения, траектории и т. п.).
Таким образом, реализуя основанные на модели методы обнаружения неисправностей и используя прогнозирование состояния технически сложных объектов, можно разработать средства контроля и диагностики работоспособности ГЛОНАСС/GPS трекеров непосредственно в ходе их эксплуатации, что позволит своевременно производить их замену (или ремонт) и в целом повысит качество работы систем управления и мониторинга транспортных объектов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. 10 самых популярных ГЛОНАСС/GPS трекеров 2016 года // Сергей Дронский. - IOT.ru (Новости интернета вещей). - Режим доступа: https://iot.ru/gadzhety/10-samykh-populyarnykh-trekerov-2016-goda (дата обращения: 24.08.2019).
2. Wialon — понятно, просто, доступно. - Режим доступа: http ://trivi .ru/blog/wialon-ponyatno-prosto-dostupno (дата обращения: 24.08.2019)
3. ООО Сигард Экспорт». - Режим доступа: https//cguard.ru/equipment/cguard-personal (дата обращения: 24.08.2019).
4. GPS (GNSS)-TexHonorHH // СИБГЕОМАР -постоянство принципов. - Режим доступа: http://www.sibgeomap.com/technology/gpstech (дата обращения: 24.08.2019).
5. L86 Компактный GNSS модуль с встроенной антенной. - Режим доступа: http://satron.ru/ product/Quectel/L86.
6. Беспроводная диспетчеризация ЖКХ для снижения оплаты общедомовых нужд // Вавиот. - Режим доступа: http://www.waviot.tech/ xmlrpc.php-rsd.xml (дата обращения: 24.08.2019).
7. Изерман Р. Перспективные методы контроля, обнаружения и диагностики неисправностей и их применение // Приборы и системы управления. - 1998. - №4. - С. 56-70.
8. Савочкин А. Е., Михеев М. Ю., Прокофьев О. В., Линкова М. А. Математические и информационно-структурные модели прогнозирования состояния технически сложных объектов // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. - 2015. - №4 (32) . - С. 232-249.
9. Савочкин А. Е., Михеев М. Ю., Прокофьев О. В. Прогнозирование литеральных ситуаций по коротким временным рядам // Труды международного симпозиума «Надёжность и качество». - 2017.- Т. 1. - С. 320-324.
REFERENCES
1. 10 samykh populyarnykh trekerov 2016 goda [10 most popular GLONASS/ GPS trackers of 2016]. // Sergey Dronsky. - IOT.ru (Novosti interneta veshchey). - Rezhim dostupa: https://iot.ru/gadzhety/ 10-samykh-populyarnykh-trekerov-2016-goda (accessed: 24.08.2019).
2. Wialon - ponyatno, prosto, dostupno [Wialon - clear, simple, affordable]. - Rezhim dostupa: http://trivi.ru/blog/wialon-ponyatno-prosto-dostupno (accessed: 24.08.2019).
3. ООО Cguard Export [Cguard Export LLC]. -Rezhim dostupa: https//cguard.ru/equipment/cguard-personal (date accessed: 24.08.2019).
4. GPS (GNSS) - tehnologii [GPS (GNSS) -technologies]. // SIBGEOMAP - postoyanstvo principov. - Rezhim dostupa: http ://www. sibgeomap. com/technology/gpstech (accessed: 24.08.2019).
5. L86 kompaktnyi GNSS modul' s vstroennoi antenoi [L86 Compact GNSS module with integrated antenna]. - Rezhim dostupa: http://satron.ru/ product/ Quectel/L86 (accessed: 24.08.2019).
6. Besprovodnaya dispetcherizacia ZKH dlya snizhenia oplaty obshchedomovyh nuzhd [Wireless
dispatching of housing and communal services to reduce the payment of common housing needs]. // Waviot. - Rezhim dostupa: http://www.waviot.tech/ xmlrpc.php-rsd.xml (accessed: 24.08.2019).
7. Iserman R. Perspektivnye metody kontrolya, obnaruzhenia i diagnostiki neispravnostey i ih primenenie [Promising methods for monitoring, detecting and diagnostics faults and their application]. // Pribory i sistemy upravlenia [Instruments and control systems.], 1998, no 4, pp. 56-70.
8. Savochkin A. E., Mikheev M. Yu., Prokofiev O. V., Linkova M. A. Matematicheskie i informacionno-strykturnye modeli prognozirovaniya sostouania tehnicheski slyozhnyh ob 'ektov [Mathematical and information-structural models for predicting the state of technically complex objects]. // Prikaspiiskiy zhurnal: upravlenie i vysokie tehnologii [Caspian journal: management and high technologies], 2015, no 4 (32) , pp. 232-249.
9. Savochkin A. E., Mikheev M. Yu., Prokofiev O. V. Prognozirovanie literalnykh situacii po korotkim vremennym ryadam [Short time series literal forecasting]. // Trudi mezhdunarodnogo simpoziuma «Nadyozhnost' i kachestvo» [Proceedings of the international Symposium «Reliability and quality»], 2017, T. 1, pp. 320-324.
Чан Ван Туан, аспирант кафедры «Измерительно-вычислительные комплексы» УлГТУ. Киселев Сергей Константинович, заведующий кафедрой «Измерительно-вычислительные комплексы», УлГТУ, доктор технических наук.
Поступила 13.09.2019
