Zastosowanie sieci niespójnych w monitorowaniu statków

Michał Andrzejewski
Instytut Automatyki i Informatyki Stosowanej
Politechnika Warszawska
Radosław Schoeneich
Instytut Telekomunikacji
Politechnika Warszawska
Zastosowanie sieci niespójnych w
monitorowaniu statków powietrznych
Niniejszy referat przedstawia wybrane elementy systemu monitorowania statków powietrznych lotnictwa
ogólnego z wykorzystaniem urządzeń mobilnych wyposażonych w system GPS. W referacie opisano
założenia, wykorzystanie paradygmatu składowania i przenoszenia właściwego sieciom niespójnym DTN oraz
elementy architektury stworzonej aplikacji. Rozważania architektoniczne poparto testami działającej aplikacji
na obszarze Mazowsza.
1. Wprowadzenie
Dynamiczny rozwój urządzeń mobilnych oraz technik lokalizacyjnych w ostatnich latach
wprowadził do życia codziennego szereg nowych usług. Wśród obecnie powszechnych i niemal
niezbędnych usług towarzyszących nowoczesnemu społeczeństwu jest usługa lokalizacji i
trackingu. Potencjał kryjący się w tych dziedzinach bardzo wcześnie zostały dostrzeżony przez
gałęzie przemysłu powiązane z transportem (jak spedycja, usługi kurierskie itd.), gdzie lokalizacja i
zdalny monitoring przemieszczania się obiektów i towarów jest kluczowym czynnikiem
decydującym o powodzeniu wykonywanych operacji. Dotychczas systemy takie z powodzeniem
zostały wdrożone w naziemnych systemach transportowych, gdzie zapewniona jest możliwość
ciągłej, nieprzerwanej komunikacji miedzy obiektem monitorowanym a stronami zainteresowanymi
monitoringiem za pomocą spójnych naziemnych sieci telekomunikacyjnych.
Rozwój lotnictwa ogólnego, znaczne zwiększenie liczby operacji lotniczych, statków
powietrznych, a ostatnimi czasy potrzeba wprowadzenia do użycia bezzałogowych urządzeń
latających (ang. Unmanned Aerial Vehicle - UAV i micro Aerial Vehicle - mAV), postawiła nowe
zadania przed usługami lokalizacji i trackingu. Wyżej wymienione procesy powiązane z
koniecznością zapewnienia bezpieczeństwa stworzyły potrzebę dostarczenia usług trackingu w
przestrzeni, gdzie zapewnienie komunikacji i przesyłania danych o pozycji przy pomocy sieci
spójnych jest niemożliwe. Rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie sieci o strukturze
niespójnej – sieci DTN (ang. Delay and Disruptive Tolerant Networks).
Bezprzewodowe sieci o strukturze niespójnej DTN są to sieci, gdzie wiadomość przesyłana jest
pomiędzy czasowo odizolowanymi od siebie obszarami sieci za pomocą fizycznego jej
przenoszenia. Wiadomość jest propagowana przez zastosowanie składowania w wybranych
węzłach fizycznych, które przemieszczając się w określonych kierunkach przenoszą ją między
odizolowanymi fizycznie elementami sieci.
Niniejszy artykuł przedstawia architekturę systemu monitorowania i trackingu statków
powietrznych wykorzystującego usługę lokalizacji GPS z zastosowaniem terminali mobilnych i
wykorzystania specyfiki składowania i przenoszenia wiadomości właściwej sieciom DTN.
Zaproponowana architektura rozwiązania została zrealizowana praktycznie na urządzeniach typu
smartphone z systemem Android i przetestowana w naturalnym środowisku pracy.
2. Scenariusz użycia – monitorowanie statków powietrznych
Jednym z zadań stawianych przed pilotami lotnictwa ogólnego jest doskonalenie
umiejętności wykonywania przelotów pomiędzy lotniskami lub lotów w oddaleniu od lotniska
startu. W trakcie takiego przelotu niemożliwy jest wzrokowy nadzór z ziemi, a informacja o pozycji
samolotu tylko niekiedy możliwa jest do uzyskania drogą raportów radiowych.
Brak narzędzia do monitorowania pozycji i podstawowych parametrów lotu statku
powietrznego w czasie rzeczywistym jest istotnym problemem, ponieważ uniemożliwia skuteczny
nadzór instruktora nad prawidłowością i bezpieczeństwem wykonywanego ćwiczenia. Dotychczas,
do wymienionych wyżej zastosowań adaptowane były rozwiązania wyspecjalizowane w śledzeniu
pojazdów naziemnych tj. samochody ciężarowe i służbowe. Użycie ich do monitorowania pozycji
statków powietrznych było utrudnione ze względu na wysoki koszt urządzeń, ich zamkniętą
architekturę oraz brak wsparcia dla komunikacji przy użyciu sieci niespójnych. Konieczne stało się
zaprojektowanie rozwiązania, które byłoby dobrze dostosowane do specyfiki wykorzystania w
statkach powietrznych, a przy tym tanie i niezawodne.
W analizowanym środowisku, jakim jest statek powietrzny lecący na wysokości 300 –
1000m ponad poziomem gruntu, nad obszarami o różnym stopniu zurbanizowania i pokrycia
zasięgiem sieci GSM należy liczyć się z tym, że nie zawsze dostępna będzie sieć umożliwiająca
transmisję danych, a jeśli będzie, to transmisja może przebiegać powoli, a połączenie może zostać
niespodziewanie przerwane. Jest to obszar, w którym znajdują zastosowania metody rozwijane dla
komunikacji przy użyciu niespójnych, bezprzewodowych sieci DTN, których istotą jest
umożliwienie działania w trudnym środowisku o nieznanej charakterystyce.
3. System monitorowania statków powietrznych lotnictwa ogólnego
Założenia systemu i zapewniona funkcjonalność
System składa się z dwóch powiązanych ze sobą części. Pierwszą z nich jest aplikacja
działająca na urządzeniu mobilnym służąca do zbierania, wstępnego przetwarzania i przesyłania
danych dotyczących podstawowych parametrów lotu, tj. położenie geograficzne, wysokość, kurs,
prędkość. Drugą częścią jest aplikacja działająca na serwerze umożliwiająca prezentację i
interpretację informacji zebranych z urządzeń mobilnych. Dwuczęściowa architektura z dobrze
określonym modelem wymiany danych umożliwia łatwe wprowadzanie zmian i nowych rozwiązań
oraz niezależne rozwijanie poszczególnych części systemu.
Zapewniona funkcjonalność systemu:
◦ pozyskiwanie za pomocą urządzenia mobilnego umieszczonego w statku powietrznym
dostępnych danych związanych z parametrami lotu, tj. dokładny czas, współrzędne
geograficzne, wysokość, przyspieszenie, kurs, prędkość itp.
◦ lokalne gromadzenie danych oraz cykliczne wysyłanie zgromadzonych danych na serwer
przy użyciu najlepszego dostępnego kanału komunikacji
◦ wsparcie dla DTN poprzez umożliwienie komunikacji z innymi statkami powietrznymi
zgodnie z algorytmem „store – carry – forward” w przypadku braku bezpośredniego
połączenia z serwerem
◦ wizualizacja zebranych danych
Architektura systemu
Centralnym elementem systemu jest serwer zbierający, analizujący i udostępniający dane
pozyskane z urządzeń mobilnych znajdujących się na pokładzie monitorowanych statków
powietrznych. Każde z takich urządzeń co pewien interwał czasu komunikuje się z serwerem
przekazując aktualne informacje dotyczące swojego położenia i stanu. Serwer jest podłączony do
sieci Internet, dlatego komunikacja może odbywać się przy użyciu sieci transmisji danych 2G / 3G
czy też sieci 802.x . Transmisja danych może przebiegać przy użyciu jednego, narzuconego sposobu
lub najlepszego dostępnego w danej chwili.
Urządzenie mobline nie mogąc połączyć się z serwerem bezpośrednio (na skutek braku
zasięgu sieci, zwiększonego poziomu zakłóceń itp.), wykorzystuje paradygmat „store – carry –
forward” gromadząc dane i starając się przekazać je dalej do węzła sieci, z którym nawiąże kontakt.
Rys 1. Wykorzystanie komunikacji między węzłami sieci do przekazania informacji nt.
pozycji geograficznej statku powietrznego.
Na przedstawionym schemacie statek powietrzny SP1, reprezentowany graficznie jako
urządzenie mobilne znajdujące się na jego pokładzie, jest poza zasięgiem sieci GSM i nie może
nawiązać połączenia z serwerem w celu przekazania informacji o swojej pozycji. Wykorzystuje do
tego celu inny węzeł sieci (inny statek powietrzny, oznaczony SP2) przekazując mu wszystkie
informacje za pomocą dostępnego kanału bezprzewodowej komunikacji (np. Wi-Fi, Bluetooth) .
SP2, jeżeli znajduje lub znajdzie się w miejscu umożliwiającym przesłanie danych dalej nawiąże
połączenie z serwerem i przekaże informacje uzyskane od SP1 oraz informacje o własnej pozycji.
Aplikacja działająca na urządzeniu mobilnym składa się z kilku części. Dzięki rozdzieleniu
obszarów odpowiedzialności poszczególnych elementów, ich modyfikacje nie wpływają na
pozostałe części aplikacji. W prezentowanej architekturze wyróżnione są dwa kluczowe elementy
odpowiedzialne za realizację koniecznych zadań – Location manager oraz Connectivity manager.
Aplikacja
serwerowa
Aplikacja
mobilna
Satelita GPS
Location manager
Pamięć lokalna
Connectivity manager
Serwer
Baza danych
Wizualizacja
Terminal obserwatora
Rys 2. Uproszczony schemat przepływu informacji o pozycji geograficzej w systemie.
Location manager (zarządca lokalizacji) odpowiada za pozyskanie i wstępne przetworzenie
danych związanych z położeniem. Korzysta z wbudowanego lub zewnętrznego odbiornika GPS do
ustalenia położenia w przestrzeni 2D lub 3D (w zależności od liczby dostępnych satelitów),
wykrycia i zarejestrowania przemieszczenia oraz określenia niepewności pomiarów. Gdy sygnał
GPS jest niedostępny, możliwe jest wykorzystanie danych uzyskanych ze stacji bazowych BTS
(ang. base transceiver station) w celu podania przybliżonej lokalizacji. W takim przypadku
zapisywane są również informacje dodatkowe tj. CellID (identyfikator stacji bazowej). Możliwe
jest określenie górnej i dolnej granicy częstotliwości odswieżania pozycji lub wymuszenie
aktualizacji danych przy wykryciu przemieszczenia powyżej ustalonej wartości.
Drugim istotnym modułem aplikacji jest Connectivity manager (zarządca komunikacji)
odpowiedzialny za komunikację z serwerem oraz z innymi statkami powietrznymi. Connectivity
manager działa z wykorzystaniem dostępnych w danej chwili możliwości w myśl zasady „Best
contingency first” (najlepszy sposób najpierw). Oznacza to, że domyślnie będzie starał się nawiązać
połączenie i przesłać dane używając najlepszej dostępnej metody. W przypadku, gdy żadna z prób
się nie powiedzie, zadba o postępowanie według algorytmu „store – carry – forward”.
Dane z urządzeń mobilnych gromadzone i przesyłane są w postaci plików tekstowych
zawierających wartości oddzielone przecinkami (CSV, ang. comma separated values). Znak kropki
stosowany jest jako separator wartości dziesiętnych. Każda linia pliku odpowiada jednemu
punktowi pozycji (fix). Ponieważ każdy fix jest oznaczony dokładnym czasem, nie ma ryzyka, że
kolejność punktów ulegnie zaburzeniu lub zostanie źle zinterpretowana.
4. Przeprowadzone testy
Testy systemu przeprowadzone zostały w rzeczywistym, docelowym środowisku jego
wykorzystania. Obejmowały serię lotów o różnej charakterystyce (wysokość nad poziomem gruntu,
odległość od lotniska startowego, stopień pokrycia terenu zasięgiem sieci GSM) wykonanych na
samolotach i szybowcach Aeroklubu Warszawskiego. W trakcie testów zgromadzono i
przeanalizowano zapisy z około 50 lotów odbywających się w okresie kwiecień – maj 2011.
Dowiodły one, że odbiorniki GPS znajdujące się w wykorzystanych urządzeniach (telefony LG GT540) są wystarczająco czułe, dokładne i niezawodne aby mogły być wykorzystane w systemie
monitoringu statków powietrznych.
W czasie testów badano również jakość łączności GSM, która stanowi podstawowy sposób
przesyłania danych w systemie. Siła sygnału 2G / 3G umożliwiała osiągnięcie wystarczających
parametrów połączenia UMTS / HSDPA i skuteczną transmisję danych za pomocą protokołu
TCP/IP na wysokościach do około 1200m nad obszarami silnie zurbanizowanymi (okolice
Warszawy) i do około 600m nad obszarami słabo zurbanizowanymi. Dzięki zastosowaniu
algorytmu „store – carry – forward” możliwe było uzyskanie informacji o pozycji i parametrach
lotu statku powietrznego nawet, gdy nie był on w tym momencie w zasięgu sieci GSM. Planowane
jest przetestowanie działania systemu w terenie górzystym.
5. Podsumowanie
W referacie przedstawiono projekt i koncepcję realizacji technicznej systemu
monitorowania statków powietrznych przy użyciu urządzeń mobilnych, z zastosowaniem
algorytmów rozwijanych dla niespójnych sieci DTN. Wstępne testy wykazały, że taki system
zapewnia funkcjonalność niezbędną dla udostępnienia usługi śledzenia pozycji statków
powietrznych w locie. System jest w trakcie rozwoju i testowania we współpracy z Sekcją
Samolotową Aeroklubu Warszawskiego, gdzie jest używany na co dzień.
Literatura
1. Z. D. Chen, H. T. Kung, D. Vlah, “Ad hoc relay wireless networks over moving vehicles on
highways”, Proc. ACM Mobihoc2001, 2001
2. M. Doering, T. Pogel, L. Wolf, “DTN routing in urban public transport systems”, Proc.
Chants2010, 2010
3. M. H. Eom, E. Y. Han, H. S. Chang, “Implementation of Internet-based land vehicle tracking
system using Java”, Proc. ICII 2001, 2001