Мобильный навигационный терминал
Полезная модель относится к телекоммуникационным устройствам, а именно к мобильному терминалу связи, который может найти широкое применение для телематических служб операторов сетей глобальной системы мобильной связи GSM (Global System for Mobile Communications). Техническим результатом данной полезной модели является повышение достоверности приема спутниковых навигационных данных от двух спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС (Россия) и GPS (США) за счет введения двухсистемного спутникового навигационного приемника ГЛОНАСС/GPS, повышение надежности приемопередачи данных по каналам GSM сетей за счет введения мультиплексора, двух блоков антистатической защиты и двух считывателей SIM карт, перераспределения функций между элементами мобильного навигационного терминала. Указанный технический результат достигается за счет того, что мобильный навигационный терминал содержит двухсистемный спутниковый навигационный приемник ГЛОНАСС/GPS, GSM/GPRS модем, микроконтроллер, мультиплексор, два блока антистатической защиты и два считывателя SIM карт, три порта ввода-вывода, стабилизаторы электропитания на 4,5 В и 3,3 В, разъем для подключения GSM антенны и разъем для подключения ГЛОНАСС/GPS антенны.
Полезная модель относится к телекоммуникационным устройствам, а именно к мобильному навигационному терминалу (МНТ), который может найти широкое применение для телематических служб операторов сетей глобальной системы мобильной связи GSM (Global System for Mobile Communications) / GPRS (General Packet Radio Service).
Большая часть МНТ конструктивно представляет собой набор последовательно соединенных микросхем: GSM модем, микроконтроллер (процессор), GPS (Global Positioning System) приемник и порт ввода-вывода.
Известен мобильный терминал связи для сетей глобальной системы мобильной связи GSM, описанный в патенте РФ на полезную модель №32652, 05.05.2003. Мобильный терминал связи для сетей глобальной системы мобильной связи GSM состоит из следующих компонентов: GSM модема, навигационного узла (GPS или ГЛОНАСС приемника), процессора, переключателя и порта ввода-вывода.
Недостатком этого устройства является невозможность одновременной работы в двух спутниковых навигационных системах (СНС) GPS (США) и ГЛОНАСС (Россия) и как следствие, низкая достоверность определения координат. Другим недостатком описанного устройства является то, что работа осуществляется только в одной GSM сети (одного оператора связи), что явно недостаточно при пропадании сети или включения радиоэлектронной помехи (подавления GSM сигнала).
Известен мобильный терминал для сетей глобальной системы мобильной связи GSM, описанный в патенте РФ на полезную модель
№32653, 14.05.2003. Мобильный терминал для сетей глобальной системы мобильной связи GSM состоит из следующих компонентов: GSM модема, навигационного узла, двух процессоров, устройства ввода-вывода, двух запоминающих устройств и порта ввода-вывода.
Однако этот мобильный терминал также имеет недостаток - у него слишком низкая надежность, так как, он может работать только в одной GSM сети.
Известен навигационный терминал связи, описанный в патенте РФ на полезную модель №32943, 26.05.2003. Навигационный терминал связи состоит из следующих компонентов: GSM модема, GPS приемника, процессора, беспроводного устройства Bluetooth и порта ввода-вывода.
Однако этот навигационный терминал связи также имеет недостаток - низкая достоверность определения координат, так как, он имеет возможность работать только в одной СНС GPS (США).
Известно из уровня техники и описано, например, в журнале «Электронные компоненты», №4 за 2007 г., в статье Игоря Корнеева, Владимира Немудрова, Вадима Польщикова и Олега Лагутина «Специализированная СБИС - основа цифрового навигационного приемника ГЛОНАСС/GPS», что одновременное использование двух систем ГЛОНАСС (Россия) и GPS (США) позволяет радикально повысить достоверность определения координат до уровня, недостижимого в любой отдельно взятой системе.
Таким образом, техническим результатом данной полезной модели, является повышение достоверности приема спутниковых навигационных данных от двух СНС ГЛОНАСС (Россия) и GPS (США) за счет введения двухсистемного спутникового навигационного приемника (СНП) ГЛОНАСС/GPS, повышение надежности приемопередачи данных по каналам GSM сетей за счет введения мультиплексора, двух блоков
антистатической защиты и двух считывателей SIM карт, перераспределения функций между элементами мобильного навигационного терминала.
Технический результат достигается за счет того, что мобильный навигационный терминал, содержащий первый стабилизатор электропитания на 4,5 вольт и второй стабилизатор электропитания на 3,3 вольт, GSM/GPRS модем, выполненный с возможностью работы в глобальной системе мобильной связи (Global System for Mobile Communications - GSM) и системе пакетной коммутации в сетях подвижной связи (General Packet Radio Service - GPRS), совмещенный ГЛОНАСС/GPS приемник, выполненный с возможностью одновременной работы с глобальной навигационной спутниковой системой России (ГЛОНАСС) и глобальной системой позиционирования США (Global Positioning System - GPS), преобразователь уровня RS-232, предназначенный для преобразования логических уровней в уровни интерфейса RS-232, микроконтроллер, разъем подключения GSM антенны, разъем подключения ГЛОНАСС/GPS антенны, первый порт ввода-вывода, предназначенный для коммутации с источником электропитания и персональным компьютером, второй порт ввода-вывода, предназначенный для коммутации с внешними исполнительными устройствами и датчиками, третий порт ввода-вывода, предназначенный для программирования микроконтроллера, дополнительно содержит первый считыватель SIM (Subscriber Identification Module - SIM) карты и второй считыватель SIM-карты, предназначенные для считывания данных находящихся в памяти SIM-карт, которые необходимы для аутентификации мобильного навигационного терминала в GSM сети и реализации ряда прикладных услуг, первый блок антистатической защиты и второй блок антистатической защиты, предназначенные для предотвращения повреждения SIM-карт в момент вставления/извлечения в/из считывателей SIM-карт, мультиплексор, предназначенный для коммутации сигналов между GSM/GPRS модемом, первым считывателем SIM
карт и вторым считывателем SIM-карт, при этом четвертый вход-выход упомянутого мультиплексора соединен с первым входом-выходом первого считывателя SIM-карты и первым входом первого блока антистатической защиты, пятый вход-выход упомянутого мультиплексора соединен с первым входом-выходом второго считывателя SIM карты и первым входом второго блока антистатической защиты, при этом GSM/GPRS модем первым входом-выходом соединен с первым входом-выходом разъема подключения GSM антенны, а вторым входом-выходом соединен с первым входом-выходом микроконтроллера, третьим входом упомянутый GSM/GPRS модем соединен с первым выходом мультиплексора, четвертым входом GSM/GPRS модем подключен к первому выходу стабилизатора электропитания на 4,5 вольта, второй вход которого подключен к первому выходу первого порта ввода-вывода, первый выход стабилизатора электропитания на 4,5 вольта подключен к первому входу стабилизатора электропитания на 3,3 вольта, второй выход которого одновременно соединен со вторым входом второго порта ввода-вывода и вторым входом преобразователя уровня RS-232, и вторым входом микроконтроллера, и вторым входом совмещенного ГЛОНАСС/GPS приемника, и вторым входом мультиплексора, при этом первый вход совмещенного ГЛОHACC/GPS приемника соединен с первым выходом разъема подключения ГЛОНАСС/GPS антенны, третий вход-выход ГЛОНАСС/GPS приемника соединен с третьим входом-выходом микроконтроллера, четвертый вход-выход которого соединен с первым входом-выходом второго порта ввода-вывода, пятый выход упомянутого микроконтроллера соединен в первым входом третьего порта ввода-вывода, второй выход которого предназначен для передачи аналоговых данных и соединен с шестым входом микроконтроллера, третий выход третьего порта ввода-вывода предназначен для передачи цифровых данных и соединен с шестым входом микроконтроллера, седьмой выход которого соединен с третьим входом
мультиплексора, восьмой вход-выход упомянутого микроконтроллера соединен с первым входом-выходом преобразователя уровня RS-232, третий вход-выход которого соединен со вторым входом-выходом первого порта ввода-вывода.
Заявленная полезная модель иллюстрируется следующими чертежами: фиг.1, на которой показана структурная схема МНТ; фиг.2, на которой показана фотография МНТ.
Рассмотрим структуру и работу МНТ.
Как видно из чертежа фиг.1, мобильный навигационный терминал 1, содержит разъем подключения GSM антенны 2, к которому подключается GSM антенна 18, которая принимает и передает сообщения (данные) от/к базовой станции (на чертеже не показано) и GSM/GPRS модем 5, который соединен с мультиплексором 4 и микроконтроллером 11, который в свою очередь связан с преобразователем уровня RS-232 - 12, и преобразователь уровня RS-232 - 12 связан с первым портом ввода-вывода 14 и вторым портом ввода-вывода 15.
Кроме того, МНТ 1 содержит разъем подключения ГЛОHACC/GPS антенны 3, к которому подключается совмещенная ГЛОHACC/GPS антенна 19 и ГЛОНАСС/GPS приемник 6, который соединен с микроконтроллером 11, а он соединен с третьим портом ввода-вывода 13 и мультиплексором 4.
МНТ 1 дополнительно содержит мультиплексор 4, который соединен с первым считывателем SIM карты 7 и первым блоком антистатической защиты 9, кроме того, мультиплексор соединен со вторым считывателем SIM карты 8 и вторым блоком антистатической защиты 10.
Как видно из чертежа фиг.1, МНТ 1 дополнительно содержит стабилизатор электропитания на 4,5 вольта 16 связанный с GSM/GPRS модемом 5 и со стабилизатором электропитания на 3,3 вольта 17, выход которого одновременно связан с преобразователем уровня RS-232 - 12 и
вторым портом ввода-вывода 15, и микроконтроллером 6, и ГЛОHACC/GPS приемником 6, и мультиплексором 4.
Заявленный МНТ работает следующим образом.
При приеме сообщения (команды) на запрос определения местоположения МНТ 1, используя сервис передачи коротких сообщений SMS (Short Message Service) или технологию GPRS, сообщение от базовой станции сотового оператора (на чертеже не показано) поступает на GSM антенну 18, далее через разъем подключения GSM антенны 2, сообщение поступает GSM/GPRS модем 5.
GSM/GPRS модем 5 выполняет функцию приемопередатчика по приему и отправке сообщений (данных). Получив команду на запрос координат геодезических пунктов, GSM/GPRS модем 5, передает команду на микроконтроллер 11, в котором выполняется программа по запросу геодезических данных полученных от ГЛОНАСС/GPS приемника 6.
Сигналы от двух СНС ГЛОНАСС (Россия) и GPS (СШA) (на чертеже не показано) непрерывно поступают на совмещенную ГЛОHACC/GPS антенну 19, далее через разъем подключения антенны 3 в ГЛОНАСС/GPS приемник 6.
Здесь необходимо отметить, что совмещенный ГЛОНАСС/GPS приемник 6 состоит из аналоговой и цифровой части (на чертеже не показано). Совмещенный ГЛОНАСС/GPS навигационный приемник 6 предназначен для приема сигналов спутниковых систем навигации ГЛОНАСС (частотные литеры - от -7 до +12, сигнал стандартной точности) и GPS (сигнал С/А). В аналоговой части (RF Front End - FE) ГЛОНАСС/GPS приемника 6 (на чертеже не показано) производится фильтрация и усиление входных сигналов, а также их оцифровка. Аналоговая часть ГЛОHACC/GPS приемника 6 (на чертеже не показано) построена по схеме супергетеродинного приемника с двойным преобразованием частоты. Частоты гетеродинов формируются из частоты опорного кварцевого
генератора методом косвенного синтеза (на чертеже не показано) с использованием петли фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Выходные сигналы аналоговой части ГЛОНАСС/GPS приемника 6 (на чертеже не показано) - это бинарные отсчеты сигналов второй промежуточной частоты (ПЧ) ГЛОНАСС и GPS, сигнал тактовой частоты 61 МГц, сигнал индикации захвата ФАПЧ.
В цифровой части ГЛОНАСС/GPS приемника 6 (на чертеже не показано) производится дальнейшая (аппаратная и программная) цифровая обработка сигналов. В состав цифровой части ГЛОНАСС/GPS приемника 6 (на чертеже не показано) входят сверхбольшая интегральная схема (СБИС) "16-канальный коррелятор", процессор, память (FLASH ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).
Необходимо отметить, что входящая в состав цифровой части ГЛОНАСС/GPS приемника 6 (на чертеже не показано) СБИС "16-канальный коррелятор" имеет рабочую тактовую частоту 30,5 МГц и содержит 16 корреляционных каналов; сдвоенный приемопередатчик (DUART) типа RS-232 с FIFO объемом 16×8 бит; формирователь секундной метки времени 1PPS; часы реального времени (RTC), а также формирователи сигнала прерывания INT1 и шкалы времени (на чертеже не показаны).
Принятые данные ГЛОНАСС/GPS приемник 6 передает в микроконтроллер 11, который анализирует полученные координаты геодезических пунктов. Микроконтроллер 11 может выполнять операцию по изменению данных на заданную величину среднеквадратичного отклонения координат. Координаты геодезических пунктов передаются в GSM/GPRS модем 5 и далее через разъем подключения GSM антенны 2 передаются на GSM антенну 18, далее данные передаются на базовую станцию оператора сетей GSM (на чертеже не показано).
Координаты геодезических пунктов и точек земной поверхности могут быть отправлены при помощи SMS сообщений сотовых операторов связи или по технологии GPRS, канал передачи определит GSM/GPRS модем 5. Микроконтроллер 11 имеет возможность шифрования координат геодезических пунктов полученных от ГЛОНАСС/GPS приемника 6.
Мультиплексор 4 управляет работой первого считывателя SIM карты 7 и второго считывателя SIM карты 8. Так как SIM карты могут быть разных операторов, то терминал 1 имеет возможность работать в двух сотовых GSM/GPRS сетях (но не одновременно). В случае, если пропадает GSM сеть одного оператора сотовой связи, например, сеть которого идентифицируется при помощи первой SIM карты, которая находится в первом SIM считывателе 7, мультиплексор 4 переключается на GSM сеть второго оператора, сеть которого идентифицируется при помощи SIM карты, которая находится во втором считывателе SIM карты 10.
При воздействии внешних устройств радиоэлектронной борьбы (РЭБ) на терминал 1 (на чертеже не показано), микроконтроллер 11 анализирует наличие GSM сигнала. В полосе частот, где сигнал не будет подавлен устройством РЭБ, микроконтроллер 11 даст команду мультиплексору 4 на подключение первого считывателя SIM карты 7 или второго считывателя SIM карты 8 и GSM модем 5 будет непрерывно вести прием или передачу сообщений или данных.
Первый считыватель SIM карты 7, второй считыватель SIM карты 8, предназначены для считывания данных находящихся в памяти SIM-карт (на чертеже не показаны), которые необходимы для аутентификации мобильного навигационного терминала 1 в GSM сети и реализации ряда прикладных услуг.
Первый блок антистатической защиты 9 и второй блок антистатической защиты 10 предназначены для предотвращения повреждения SIM
карт в момент вставления/извлечения в/из первого 7 и второго 8 считывателя SIM карт соответственно.
Анализ наличия GSM/GPRS сети происходит на программном уровне в микроконтроллере 11, который выдает команды на переключение мультиплексору 4. GSM/GPRS модем 5 может работать в нескольких диапазонах частот 890-915 МГц и 935-960 МГц, 1710-1785 МГц и 1805-1880 МГц. Таким образом повышается надежность работы терминала 1 при пропадании GSM/GPRS сети или радиоэлектронном подавлении устройствами РЭБ.
МНТ 1 имеет возможность подключения различных датчиков и устройств (на чертеже не показано), которые могут быть подключены к портам ввода-вывода 13, 14, 15.
При наступлении события от датчиков (например, сработал датчик возникновения пожара в автомобиле) подключенных ко второму порту ввода-вывода 15 (на чертеже не показано), сигнал поступает в преобразователь уровня RS-232 и далее в микроконтроллер 11, где происходит аутентификация (установление подлинности) события и принятие решений на отправку сообщения (на основе алгоритмов записанных в память микроконтроллера 11) (на чертеже не показано).
Кроме того, при отправке сообщения от датчиков (на чертеже не показано) могут быть переданы и геодезические данные, которые находятся в памяти (на чертеже не показано) микроконтроллера 11, полученные от СНП 6.
Далее GSM/GPRS модем 5 выполняет операцию по отправке сообщения пользователю. Сообщение может быть отправлено и принято через сервис передачи коротких сообщений SMS сотовых операторов связи или технологии пакетной коммутации в сетях подвижной связи GPRS. Канал передачи и способ передачи выбирает цифровой сигнальный процессор (на чертеже не показано) GSM/GPRS модема 5.
Сообщение поступает в модем 5, разъем 2, антенну 18 и передается на базовую станцию (на чертеже не показано) оператора сети глобальной системы мобильной связи GSM.
Первый порт ввода-вывода 14, предназначен для коммутации с источником электропитания и персональным компьютером (на чертеже не показано). Электропитание терминала 1 может осуществляться от батареи электропитания, в качестве которой может выступать аккумуляторная батарея (на чертеже не показано), или внешнего источника, подключенного к порту внешнего электропитания, который находится в первом порту ввода-вывода 14.
Второй порт ввода-вывода 15, предназначен для коммутации с внешними исполнительными устройствами и датчиками (на чертеже не показано). Третий порт ввода-вывода 13, предназначен для программирования микроконтроллера 11 при помощи программатора или компьютера (на чертеже не показано), один выход порта ввода-вывода 13 аналоговый а другой - цифровой.
Преобразователь уровня RS-232 - 12, предназначен для преобразования логических уровней в уровни интерфейса RS-232.
Напряжение для электропитания терминала 1 подается на стабилизатор электропитания 4,5 вольта 16 и далее на стабилизатор электропитания 3,3 вольта 17, через которое происходит электропитание всех элементов устройства: преобразователя уровня RS-232 12, микроконтроллера 11, ГЛОНАСС/GPS приемника 6, мультиплексора 4. Напряжение для электропитания GSM/GPRS модема 5 подается от стабилизатора электропитания 4,5 В 16.
Для антистатической защиты SIM карт сотовых операторов считыватели SIM карт 7, 8 имеют два блока антистатической защиты 9 и 10.
Наличие в МНТ 1 двухсистемного ГЛОНАСС (Россия) и GPS (США) приемника 6 позволяет одновременно принимать спутниковые
навигационные сигналы от двух СНС, тем самым решая задачу полезной модели: повышение достоверности приема спутниковых навигационных данных от двух спутниковых навигационных систем (СНС) ГЛОНАСС (Россия) и GPS (США).
Впервые в МНТ 1 был использован мультиплексор 4 в сочетании с микропроцессором 11 для выполнения функций диагностики наличия GSM сетей сотовых операторов связи или радиоэлектронном подавлении устройствами РЭБ, таким путем решая задачу полезной модели: повышение надежности приемопередачи данных по каналам GSM сетей.
Изготовление мобильного терминала связи 1, изображенного на фиг.1, осуществляют из типовых радиоэлектронных компонентов (РЭК).
РЭК могут быть: GSM/GPRS модем 5 G20 компании Motorola или SIM300DZ, совмещенный СНП ГЛОНАСС/GPS приемник 6, например, СНП TFAG50 ФГУП НИИМА "ПРОГРЕСС", микроконтроллер 11, например, MEGA AVR ATMEGA 128L-8AU компании ATMEL.
Мультиплексор 4 может быть использован на основе микросхемы CD74AC157M, преобразователь уровня RS-232 - 12, например, на основе MAX 3232ESE. Стабилизаторы электропитания на 4,5 В - 16 - LM1084IT-ADJ, на 3,3 В - 17 - TPS76833QD.
Опытные образцы МНТ изготовлены. На Фиг.2 показана фотография мобильного навигационного терминала.
Испытания показали, что они соответствует тем требованиям, которые предъявляются к абонентским радиостанциям GSM стандарта и требованиям средств измерений GPS/ГЛОНАСС приемников.
Мобильный навигационный терминал, содержащий первый стабилизатор электропитания на 4,5 В и второй стабилизатор электропитания на 3,3 В, GSM/GPRS модем, выполненный с возможностью работы в глобальной системе мобильной связи (Global System for Mobile Communications - GSM) и системе пакетной коммутации в сетях подвижной связи (General Packet Radio Service - GPRS), совмещенный ГЛОНАСС/GPS приемник, выполненный с возможностью одновременной работы с глобальной навигационной спутниковой системой России (ГЛОНАСС) и глобальной системой позиционирования США (Global Positioning System - GPS), преобразователь уровня RS-232, предназначенный для преобразования логических уровней в уровни интерфейса RS-232, микроконтроллер, разъем подключения GSM антенны, разъем подключения ГЛОНАСС/GPS антенны, первый порт ввода-вывода, предназначенный для коммутации с источником электропитания и персональным компьютером, второй порт ввода-вывода, предназначенный для коммутации с внешними исполнительными устройствами и датчиками, третий порт ввода-вывода, предназначенный для программирования микроконтроллера, отличающийся тем, что дополнительно содержит первый считыватель SIM (Subscriber Identification Module - SIM) карты и второй считыватель SIM-карты, предназначенные для считывания данных находящихся в памяти SIM-карт, которые необходимы для аутентификации мобильного навигационного терминала в GSM сети и реализации ряда прикладных услуг, первый блок антистатической защиты и второй блок антистатической защиты, предназначенные для предотвращения повреждения SIM-карт в момент вставления/извлечения в/из считывателей SIM-карт, мультиплексор, предназначенный для коммутации сигналов между GSM/GPRS модемом, первым считывателем SIM карт и вторым считывателем SIM-карт, при этом четвертый вход-выход упомянутого мультиплексора соединен с первым входом-выходом первого считывателя SIM-карты и первым входом первого блока антистатической защиты, пятый вход-выход упомянутого мультиплексора соединен с первым входом-выходом второго считывателя SIM карты и первым входом второго блока антистатической защиты, при этом GSM/GPRS модем первым входом-выходом соединен с первым входом-выходом разъема подключения GSM антенны, а вторым входом-выходом соединен с первым входом-выходом микроконтроллера, третьим входом упомянутый GSM/GPRS модем соединен с первым выходом мультиплексора, четвертым входом GSM/GPRS модем подключен к первому выходу стабилизатора электропитания на 4,5 В, второй вход которого подключен к первому выходу первого порта ввода-вывода, первый выход стабилизатора электропитания на 4,5 В подключен к первому входу стабилизатора электропитания на 3,3 В, второй выход которого одновременно соединен со вторым входом второго порта ввода-вывода и вторым входом преобразователя уровня RS-232, и вторым входом микроконтроллера, и вторым входом совмещенного ГЛОНАСС/GPS приемника, и вторым входом мультиплексора, при этом первый вход совмещенного ГЛОНАСС/GPS приемника соединен с первым выходом разъема подключения ГЛОНАСС/GPS антенны, третий вход-выход ГЛОНАСС/GPS приемника соединен с третьим входом-выходом микроконтроллера, четвертый вход-выход которого соединен с первым входом-выходом второго порта ввода-вывода, пятый выход упомянутого микроконтроллера соединен в первым входом третьего порта ввода-вывода, второй выход которого предназначен для передачи аналоговых данных и соединен с шестым входом микроконтроллера, третий выход третьего порта ввода-вывода предназначен для передачи цифровых данных и соединен с шестым входом микроконтроллера, седьмой выход которого соединен с третьим входом мультиплексора, восьмой вход-выход упомянутого микроконтроллера соединен с первым входом-выходом преобразователя уровня RS-232, третий вход-выход которого соединен со вторым входом-выходом первого порта ввода-вывода.
