DOLOČANJE INTEGRITETE SATELITSKIH LOKACIJSKIH STORITEV V CESTNEM PROMETUŠtern, Andrej (Avtor) Bešter, Janez (Mentor) Kos, Anton (Komentor) satelitska navigacijacestni prometkritične storitvetočnostrazpoložljivostintegritetaocenjevanje zmogljivostivplivi okoljaviri napakdoločevanje utežimatematični modeliterenske meritvestandardizacijaCOST-akcija SaPPARTklasifikacija sprejemnikov GNSSRazvoj satelitskih navigacijskih sistemov in drugih informacijsko-komunikacijskih tehnologij prinaša na področje cestnega prometa nove storitve, združene pod okrilje inteligentnih transportnih sistemov. Njihov primarni namen je večanje varnosti, učinkovitosti in udobja, s pozitivnimi učinki tako za udeležence v prometu, kot tudi lastnike prometne infrastrukture in upravljavce voznih parkov. V storitvenem terminalu v vozilu, kjer se izvajajo posamezne aplikacije, se nabor potrebnih navigacijskih parametrov s sprejemnikov GNSS (angl. Global Navigation Satellite Systems) pogosto združuje še s senzorji za zaznavo gibanja in digitalnim zemljevidom, da zagotovimo višjo stopnjo kvalitete storitve in omilimo težave, ki se pojavljajo v težavnih okoljih. V primerjavi z letalskim prometom, kjer so zahteve po kvaliteti določanja položaja zelo visoke, okolje pa relativno predvidljivo, predstavljajo cestna okolja skupek raznolikih in dinamičnih kvarnih vplivov na določitev položaja. To lahko povzroči večja odstopanja v navigacijski rešitvi, ki morda nekaterim storitvam ne bodo predstavljale težav, druge pa bodo delovale izven pričakovanih meja. V prvem delu disertacije smo se osredotočili na pregled cestnih storitev s poudarkom na kritičnih, pri katerih lahko odstopanje navigacijskih parametrov v obliki položaja, hitrosti, smeri gibanja ali točnega časa privede do ogrožanja varnosti, finančne škode ali kršenja zakonodaje. Med njimi so obravnavane napredne storitve za pomoč vozniku, kooperativne storitve C-ITS (angl. Cooperative Intelligent Transport Systems), storitve avtonomne vožnje, sistemi elektronskega cestninjenja, zavarovalniške storitve, samodejni poziv v sili eKlic, digitalni tahografi in sledenje nevarnim snovem. Predstavili smo razširjen nabor kriterijev kvalitete navigacijskega sistema in določili temeljne v obliki točnosti, razpoložljivosti in integritete, ki so v nadaljevanju tudi predmet globljih analiz. S primerjavo razpoložljivih zahtev storitev iz različnih vrst prometa smo ugotovili in dokazali, da področje cestnega prometa zahtev po lociranju trenutno nima dobro določenih, kar onemogoča postopke certificiranja lokacijskega modula v vozilu. Zato smo v nadaljevanju izvedli primerjavo dveh nastajajočih standardov s področja rabe satelitskega določanja položaja v cestnih ITS, CEN EN 16803 in ETSI TS 103 246, kjer so določeni storitvene arhitekture, metrike ovrednotenja kriterijev zmogljivosti ter operativni scenariji. Standard CEN (angl. European Committee for Standardization) je mestoma dopolnjen z rezultati evropske COST-akcije SaPPART (angl. European Cooperation in Science and Technology - Satellite Positioning Performance Assessment for Road VIII Transport), kjer sem 4 leta od določitve teme disertacije aktivno sodeloval na področjih določitve ogrodja za certifikacijo storitev, mehanizmov laboratorijskih in terenskih testiranj ter modelov klasifikacije uporabniških lokacijskih terminalov. Metodologija izvedbe meritev v okviru lastne kratkoročne znanstvene misije septembra 2016 v okolici mesta Nantes v Franciji podaja podrobnosti vidikov merilnih scenarijev, merilnih okolij, nabora sprejemnikov GNSS in sistema za določitev sovpadajoče referenčne poti. Skladno s smernicami EN 16803 so predstavljene karakteristike 4 razpoložljivih okolij, to so obvoznica okoli mesta, avtocestni trikotnik proti notranjosti države, mestno središče s srednje visokimi stavbami in podeželsko območje v smeri Atlantika. Prikazane so lastnosti namestitve 3 skupin s skupno 18 sprejemniki GNSS v obliki geodetskih, avtomobilskih in telefonskih sprejemnikov z vozilom za namenske raziskave francoskega inštituta IFSTTAR (angl. French Institute of Science and Technology for Transport, Development and Networks). Po zajetju meritev smo preverili njihovo veljavnost in skladnost s predpisanimi podatkovnimi formati in prikazali pogoste napake, ki jih lahko pričakujejo tudi drugi merilci s podobnimi nizko cenovnimi sprejemniki. Osrednji del disertacije prikazuje rezultate analize vpliva okolja na integriteto položaja. Integriteta, kot ocena statistične mere zaupanja v ustreznost podatkov iz sprejemnika GNSS, je obravnavana skozi opazovanje spreminjanja točnosti položaja zaradi lastnosti satelitskih konstelacij, potovanje signalov skozi ionosfero in troposfero, vplive lokalnega okolja na zmanjšano vidljivost satelitov, odboje in dušenje satelitskih signalov ter lastnosti sprejemnikov. Pokazali smo, da mesto izvedbe meritev na zemeljski obli geometrijsko vpliva na pričakovano točnost skozi faktor DOP (angl. Dilution of Precision) ter iz 1,7 milijona zajetih vzorcev določili statistični model korelacije med oceno HDOP (angl. Horizontal DOP) in številom satelitov. S pomočjo dnevno oddanih efemerid, pridobljenih s spleta, smo izvedli vrednotenje števila nesprejetih in sprejetih satelitov, in predlagali inovativni način vrednotenja vplivnosti okolij s pomočjo matematičnega modela, ki podaja t.i. karakteristični kot elevacije, kjer glajeno razmerje med nesprejetimi in sprejetimi sateliti doseže določen odstotek (5%, 10% in 15%) oz. kjer se krivulje dotika tangenta s koeficientom -1. Za določitev modela uteži v postopkih izračuna položaja in določanja integritete je bil podrobno preučen parameter C/N0, ki v izhodnem formatu množičnih sprejemnikov NMEA (angl. National Marine Electronics Association) podaja razmerje med močjo nosilca satelitskega signala C in gostoto šuma N0 v 1 Hz pasovne širine. Prikazali smo porazdelitev razmerja v čistejšem avtocestnem in zastrtem mestnem okolju za sprejemnike s strešno anteno in telefone pod vetrobranskim steklom, kjer mestni vplivi povzročijo dodaten manjši vrh porazdelitve približno 20 dB nižje od glavnega vrha zaradi sprejema oslabljenih odbitih signalov. Zaradi povezave med elevacijo satelita in njegovim pričakovanim razmerjem C/N0 pri nemotenem sprejemu smo vzpostavili model predpostavljenega poteka funkcije, kjer pri utežeh razlika med pričakovano in izmerjeno vrednostjo predstavlja dodaten faktor uteži v eksponencialnem modelu. Opravljena in prikazana je tudi verifikacija modela z meritvami na strehi matične fakultete v trajanju 12 oz. 24 ur, ki potrjuje matematični model uteži. Doprinosi posameznih sprejemnikov k točnosti so bili preverjeni z metriko, ki smo jo določili v COST akciji SaPPART in temelji na 50., 75. in 95. centilu kumulativne porazdelitvene funkcije ter številčnih mejah po tehnološki in aplikacijski perspektivi. Postavljena začetna hipoteza o vidnih razlikah med geodetskimi, avtomobilskimi in sprejemniki v telefonih na grafu porazdelitvene kumulativne funkcije je bila v postopku analize rezultatov ovržena, saj npr. slabših predstavnikov skupine avtomobilskih sprejemnikov s strešno anteno s stališča porazdelitve točnosti položaja ni mogoče ločiti od boljših pametnih telefonov v notranjosti vozila. Tako smo izvedli tudi razdelitev sprejemnikov v podskupine po njihovih zmogljivostih, kar je podalo boljšo ločljivost med njimi. Temu sledi prikazana klasifikacija vplivnosti okolja in sprejemnikov po horizontalni, prečni in vzdolžni točnosti, ki dokazuje visoko točnost geodetskih sprejemnikov in slabšo pametnih telefonov, ter klasifikacija po razpoložljivosti, ki dokazuje obratno, saj pametni telefoni želijo podati lokacijo z visoko razpoložljivostjo za ceno točnosti, geodetski sprejemniki pa visoko točnost za ceno razpoložljivosti. Avtomobilski sprejemniki za rabo v cestnem prometu tako predstavljajo dober kompromis med obema skupinama, saj zagotavljajo dobro točnost in tudi visoko stopnjo razpoložljivosti. V zaključnem poglavju je podano določevanje integritete s pomočjo uteževanja meritev signalov posameznih satelitov, kjer je poudarjen pomen uteži pri določanju položaja in izračunu stopnje zaščite. Obravnavanih je več načinov določanja uteži z uporabo podatkov o elevacijah satelitov, s signalnim razmerjem C/N0 in s kombiniranimi metodami, kjer tipično potrebujemo še dodaten vir informacij, kot sta elektronski zemljevid ali kamera za odkrivanje zastrtosti neba. Za model sigma-ε z uporabo razmerij C/N0 je prikazan postopek kalibracije uteži za avtomobilski sprejemnik v vseh štirih razpoložljivih okoljih. S tako določenimi utežmi je podana primerjava med 4 različnimi pristopi k izračunu horizontalne stopnje zaščite, kar je v zaključnem delu poglavja tudi ovrednoteno s praktičnim preizkusom učinkovitosti uteženega modela integritete in s prikazi v stanfordskih diagramih.20192019-09-17 08:40:08Doktorsko delo/naloga110562VisID: 48621sl