MACIEJCZYK Andrzej 1 Proces ustalania pozycji i zapis trajektorii ruchu pojazdu przy użyciu zestawu pomiarowego SPAN WSTĘP Era nawigacji satelitarnej rozpoczęła się wraz z powstaniem systemu NAVSTAR GPS (NAVSTAR Global Positioning System) w latach 70 dwudziestego wieku. Pierwsze testy systemu rozpoczęły się w 1972 r., a 22 lutego 1978 r. został wystrzelony pierwszy satelita bloku I, SVN 1. Stąd potocznie satelitarne systemy nawigacyjne określane są mianem GPS. Obecnie, także z powodu powstania innych niż amerykański systemów nawigacyjnych, używane jest zamiennie z GPS określenie GNSS (Global Navigation Satellite Systems). Zastosowania cywilne systemu, przede wszystkim w nawigacji morskiej oraz geodezji, wraz z postępem technologicznym i miniaturyzacją urządzeń rozszerzone zostały na transport lądowy. Wykorzystanie systemów satelitarnych do zarządzania flotami pojazdów oraz wspomaganie nawigacyjne kierowców, także pojazdów używanych do celów prywatnych, jest powszechne. To z kolei stworzyło zapotrzebowanie na dokładne mapy drogowe, zdolne do współpracy z odbiornikami sygnału GPS. Do poprawnego ustalenia pozycji antena odbiornika GPS musi widzieć przynajmniej 4-5 satelitów. Dokładność pomiaru zależna jest od tego, czy urządzenie zdolne jest do odebrania jednej częstotliwości L1, czy też dwóch L1, L2 [3]. Standardowa dokładność rzędu 10 m może zostać zwiększona poprzez wprowadzenie tzw. korekt różnicowych, o ile pozwala na to klasa posiadanego odbiornika. W przypadku prostych odbiorników mobilnych powszechnego użytku jest to niemożliwe. W celu uzyskania korekt obserwacyjnych do pomiarów GNSS konieczna jest komunikacja odbiornika z serwerem stacji referencyjnej [1]. Proces wymiany danych odbywa się w czasie rzeczywistym poprzez wykorzystanie połączenia internetowego GPRS. Do obliczania poprawek wykorzystuje się zasadę pomiarów różnicowych DGNSS (Differential GNSS) oraz RTK ( Real-Time Kinematic). Technologia GPS oprócz zalet, ma także istotne wady i ograniczenia. Do określenia pozycji odbiornik musi odebrać bezpośredni sygnał od co najmniej czterech satelitów. Oznacza to brak możliwości wykorzystania systemu we wnętrzach budynków. Z tego powodu określenie pozycji może być również problematyczne podczas jazdy wąskimi ulicami z wysokimi budynkami (zjawisko określane mianem urban canyons), tunelami, pod mostami, obok ekranów akustycznych, lub też drogami obsadzonymi drzewami [5]. Środkiem zaradczym okazało się sprzężnie odbiornika GPS z modułem inercyjnym. Jednostka inercyjna (Inertial Measurment Unit) to zestawienie trzech żyroskopów i trzech akcelerometrów ustawionych w trzech prostopadłych do siebie płaszczyznach. Zasada działania tego urządzenia opiera się na ustaleniu początkowego położenia obiektu (tzn. położenia, prędkości i orientacji w przestrzeni trójwymiarowej) i ciągłego śledzenia zmian położenia obiektu w czasie. Moduł żyroskopowy odpowiedzialny jest za rejestrację zmian kątów położenia obiektu, akceleratory za rejestrację zmian przyspieszenia. W chwili, gdy odbiornik GPS traci możliwość odbioru danych z satelitów (np. podczas wjazdu do tunelu), do określenia pozycji służą dane z jednostki inercyjnej. Omówiona powyżej technologia inercyjna posiada także pewne ograniczenia. Ciągłe przetwarzanie przez układ inercyjny danych odnośnie położenia i orientacji obiektu, od chwili ustalenia stanu początkowego, wraz z upływem czasu obarczone jest postępującym błędem zwanym dryfem. W chwili nawiązania przez odbiornik utraconej (np. po wyjeździe z tunelu) łączności z satelitami następuje nie tylko korekta pozycji, ale także korekta dryfu [2]. W obrębie miast spotykane są również przypadki, gdzie pozycje pojazdów wyznaczone przez urządzenie GPS znajdują się poza wyznaczonymi na mapie ulicami. Wynika to z błędów systemu 1 Politechnika Łódzka, Katedra Pojazdów i Podstaw Budowy Maszyn, ul. Żeromskiego 116, 90-924 Łódź 4045
GPS związanych z wyznaczaniem pozycji jako długość i szerokość geograficzną, lub we współrzędnych kartezjańskich. W tych przypadkach konieczne okazało się zastosowanie metod dopasowania pozycji do mapy (tzw. map matching). 1. UKŁAD POMIAROWY W skład zestawu pomiarowego SPAN wchodzą antena GPS-701, odbiornik GPS PROPACK V3 oraz jednostka inercyjna iimu FSAS. Do zapisu danych posłużono się komputerem przenośnym. Schemat zestawu pomiarowego przedstawiono na rysunku 1. Rys. 1. Schemat zestawu pomiarowego SPAN Układ pomiarowy może być montowany w dowolnym pojeździe. Antenę GPS mocuje się np. do dachu pojazdu za pomocą magnesu. Zestaw zasilany jest napięciem stałym 12V. Oznacza to możliwość wykorzystania instalacji elektrycznej samochodu osobowego. W celu dokonania przykładowej rejestracji trajektorii ruchu pojazdu zestaw pomiarowy zamontowano na bazie wózka akumulatorowego typu Melex (rysunek 2). Rys.2. Układ pomiarowy : 1 odbiornik GPS, 2 żyroskop laserowy, 3 - antena 4046
Po uruchomieniu systemu i oprogramowania Novatel CDU widoczna jest konstelacja satelitów (rysunek 3). Kolorem zielonym oznaczone są satelity użyte do określenia pozycji. Po prawej stronie u góry widoczny jest zapis bieżącej trajektorii ruchu. W centralnej części rysunku wyświetlone są dane odnośnie bieżącej pozycji, dokładności systemu oraz liczbie wykorzystywanych aktualnie satelitów. Dane te przedstawiono w powiększeniu na rysunku 4. Rys. 3. Konstelacja satelitów Rys. 4. Bieżące dane systemu Uruchomienie żyroskopu oraz gotowość systemu do pracy sygnalizowane jest wyświetleniem kolejnego okna (rysunek 5). Pod dokonaniu wyboru rodzaju danych i wskazaniu miejsca i formatu zapisu możliwe jest wykonanie pomiarów. 4047
Rys. 5. Potwierdzenie gotowości do pracy z użyciem żyroskopu 2. ZAPIS TRAJEKTORII RUCHU Zapis drogi został wykonany przy niewielkiej prędkości, determinowanej parametrami jezdnymi Melexa z częstotliwością pomiarów co 1[s]. Rys. 6. Przykładowe zapisy trajektorii ruchu pojazdu z użyciem tylko odbiornika GPS oraz odbiornika GPS wraz z żyroskopem Na rysunku 6 przedstawiono dwie trajektorie ruchu. Kolorem czerwonym oznaczono zapis drogi z użyciem tylko odbiornika GPS. Zapis drogi z zastosowaniem do badań zarówno odbiornika GPS, jak i żyroskopu oznaczono kolorem niebieskim. Widoczne duże zagęszczenie punktów pomiarowych, wynika z wysokiej częstotliwości zapisu kolejnych punktów pomiarowych, w stosunku do niewielkiej prędkość rozwijanej przez pojazd. Przesunięcia krzywych zapisów trajektorii względem siebie, spowodowane są wprowadzaniem korekt trasy przez układ inercyjny. Pomiary prowadzono na terenie otwartym kampusu w okresie zimowym, podczas dużego zachmurzenia. W celu prezentacji działania jednostki inercyjnej podczas zaniku sygnałów odbieranych z satelitów przez odbiornik GPS, w końcowej fazie przejazdu, wprowadzono pojazd wraz z aparaturą badawczą na znajdujący się na poziomie ziemi, częściowo otwarty z boków parking pod budynkiem. Miejsce to oznaczono na zapisanej trajektorii ruchu kolorem zielonym, natomiast widok parkingu pod budynkiem przedstawia rysunek 7. 4048
Rys. 7. Widok częściowo otwartego parkingu pod budynkiem Niestety działaniem tym nie udało się pozbawić odbiornika GPS sygnałów z satelitów, co potwierdza ciągłość zapisu drogi z rysunku 6. Przyczyna takiego stanu tkwi w tym, że parking jest częściowo otwarty z boków, a wykorzystywane przez odbiornik GPS satelity rozłożone były, jak widać na rysunku 3, równomiernie wokół niego. Wobec powyższego, do zaprezentowania przypadku utraty przez odbiornik GPS sygnałów podczas zapisu trajektorii ruchu wykorzystano rysunek 8. Zapis drogi nałożono na widok Google Earth. Miejsca zaniku sygnału wskazano strzałkami. Powodem utraty kontaktu odbiornika z satelitami jest zadrzewienie. Rys. 8. Przykład utraty przez odbiornik GPS sygnałów podczas zapisu trajektorii ruchu [4] Zapis trajektorii ruchu pojazdu otrzymany podczas prowadzonych badań nałożono na widok kampusu w Google Earth i przedstawiono na rysunku 9. Wykres z rysunku 6 utworzony w oparciu o punkty pomiarowe otrzymane podczas eksperymentu, jest lustrzanym odbiciem rzeczywistego 4049
zapisu drogi z powodu ograniczeń użytego do jego powstania programu. W lewej części rysunku trajektoria ruchu ewidentnie przechodzi przez budynek. To opisany wcześniej i przedstawiony na rysunku 7 parking pod budynkiem. Rys. 9. Zapis drogi z rysunku 6 nałożony na widok Google Earth Dodatkowo dla celów poglądowych, zapis drogi nałożono na jedną z popularnych map wykorzystywanych w powszechnie dostępnych nawigacjach samochodowych. Rys. 10. Zapis drogi nałożony na mapę nawigacji samochodowej 4050
WNIOSKI Przedstawione w artykule przykładowe wyniki pomiarów otrzymano w oparciu o wykorzystanie standardowych możliwości układu pomiarowego SPAN, działającego w tym przypadku jako układ autonomiczny. Nie wykorzystano tu pełnych możliwości systemu pomiarowego. Stąd dokładności pomiarów rzędu poniżej 1 [m]. Jednym z warunków poprawy dokładności pomiarów jest wykorzystanie dodatkowego czujnika WPT prędkości kątowej koła. Czujnik ten montowany jest na koło pojazdu i łączony z odbiornikiem GPS PROPACK. Zastosowanie czujnika WPT gwarantuje 50% poprawę dokładności pomiaru dla przypadku całkowitego zaniku sygnału GPS. Drugim jest uzyskanie korekt obserwacyjnych do pomiarów GNSS i wprowadzenie bieżących poprawek RTK. Proces wymiany danych odbywa się w czasie rzeczywistym. Z tego powodu komputer rejestrujący dane podczas pomiarów w terenie musi posiadać możliwość łączenia się z siecią internetową np. przy wykorzystaniu technologii GPRS. Zastosowanie czujnika oraz wprowadzenie bieżących poprawek RTK pozwala na osiąganie centymetrowych dokładności pomiarów. Dokładność pomiarów można także znacząco zwiększyć poprzez zastosowanie metody różnicowej. Cennym uzupełnieniem zapisów drogi pojazdu może być zapis obrazu drogi. W tym celu opisany zestaw pomiarowy SPAN rozbudowano o zestaw kamer wideo. Badania i zapis trajektorii ruchu z dużą dokładnością pomiarów uzupełniony zsynchronizowaną rejestracją widoku drogi z kamer wideo będą kontynuowane. Streszczenie W artykule przedstawiono proces ustalania pozycji z użyciem odbiornika GPS. Omówiono błędy lokalizacji i wskazano ich przyczyny. Wskazano sposoby podwyższenia dokładności pomiarów poprzez zastosowanie technologii inercyjnej. Opisano proces śledzenia pozycji z wykorzystaniem urządzeń żyroskopowych. Przy pomocy profesjonalnego układu pomiarowego SPAN dokonano zapisu trajektorii ruchu pojazdu. Przykładowe wyniki pomiarów przedstawiono w postaci rysunków i wykresów. Wskazano na możliwości podwyższenia dokładności pomiarów oraz uzupełnienia zapisu drogi, zapisem obrazu drogi pojazdu. The process of determining the position and record the trajectory of a moving vehicle using a set of measuring SPAN Abstract The article presents the process of determining position using a GPS receiver. Location errors are discussed and identified their causes. Identified ways to increase measurement accuracy through the use of inertial technology. Describes the process of tracking position by using gyroscopic devices. With the help of a professional measuring SPAN system has been recording the trajectory of the vehicle. Sample results of the measurements are presented in the form of drawings and graphs. Pointed to the possibility for increasing the accuracy of measurements and complete the write path, recording the image path of the vehicle. BIBLIOGRAFIA 1. ASG-EUPOS, http://www.asgeupos.pl/index.php?wpg_type=serv&sub=gen 2. Lipiński E., Wykorzystanie ścisłej integracji systemu lokalizacji GPS/GNSS i technologii inercyjnej w pomiarach drogowych, Drogownictwo, 12/2013. 3. Narkiewicz J., Globalny system pozycyjny, WKiŁ,2003. 4. Pawelski Z., Pałczyński T., Badania drogowe pojazdów w inteligentnych systemach transportowych z użyciem technologii INS i GPS, Czasopismo Techniczne M, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, 2008. 5. Sobczak M., Systemy nawigacji satelitarnej GPS/GLONASS/GALILEO, http://wazniak.mimuw.edu.pl/images/a/a3/systemy_mobilne_wyklad_4bw.pdf 4051