Tesis para obtener el grado de Ingenieria en telecomunicaciones

Tesis para obtener el grado de Ingenieria en telecomunicaciones DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE LOCALIZACIÓN, RASTREO Y MONITOREO SATELITAL DE CAMIONES DE ENTREGA DE ENCOMIENDAS; MEDIANTE EL USO DE GPS Y UN DISPOSITIVO MÓVIL. Gina Catalina Quevedo Quevedo Director: Hermes Javier Eslava Blanco M.Sc. Ph.D (c) Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad Tecnológica Ingeniería en telecomunicaciones

Índice general Resumen 1 1. Capítulo 3 1.1. Introducción................................ 3 1.2. Ventajas de este dispositivo:....................... 3 1.3. Estado del arte.............................. 3 1.4. Justificación e importancia........................ 4 1.5. Definicion del problema.......................... 5 1.6. Objetivos............................... 5 1.6.1. General.............................. 5 1.6.2. Específicos............................. 6 2. Capítulo 7 2.1. Alcances y limitaciones.......................... 7 2.2. Resultados esperados........................... 8 2.3. Metodología................................ 8 2.3.1. Captura:.............................. 9 2.3.2. Procesamiento........................... 10 2.3.3. Visualización........................... 10 2.3.4. Base de datos:........................... 11 2.4. Cronograma................................ 11 2.5. Presupuesto................................ 11 Bibliografía 13 i

Resumen Este artículo muestra el proceso de un sistema de localización, rastreo y monitoreo satelital de camiones; mediante el uso de GPS y un dispositivo movil. Las coordenadas enviadas desde dicho dispositivo a la central de monitoreo son procesadas en varias etapas: Captura (coordenadas satelitales), procesamiento (interpretar los datos obtenidos del GPS y la red GPRS), visualización (ubicación del vehículo en un mapa digital), y por ultimo la base de datos (reportes detallados y estadísticos de la información recibida). Abstract This article shows the process of a tracking system, satellite tracking and monitoring of trucks using GPS and a mobile device. The coordinates sent from the device to the monitoring station are processed in several stages: capture (satellite coordinates), processing (interpreting the data obtained from GPS and GPRS), visualization (vehicle location on a digital map), and Finally the database (detailed reports and statistical information received). 1

1 Capítulo 1.1. Introducción El Sistema de Posicionamiento Global ("Global Positioning System" - GPS) es un sistema de navegación compuesto de una otilla de satélites puestos en órbita por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos, y sus estaciones en tierra rme. Usando GPS, uno puede detrminar automaticamente su posición (latitud y longitud) en la tierra. Funciona continuamente en todas partes del mundo y es disponible a todos libre de cargos. Con orígenes en aplicaciones militares secretas, GPS se ha convertido en parte de nuestra vida cotidiana. Con la experiencia de la llegada del tratado de libre comercio (TLC), los operadores logísticos, necesitan soluciones de monitoreo GPS que le permitan tener control de sus rutas de entrega de encomiendas; donde también pueda acceder a información del funcionamiento de su vehículo (posición geográfica, velocidad, altitud, longitud, rumbo, estado de las diferentes entradas, notificación de eventos, tiempos de inactividad, salidas de ruta, información histórica de posición y otras alertas adicionales), consultar reportes detallados de estos informes y optimizar la operación de entrega. Este dispositivo utilizara GPS-GPRS (Satélite + Celular), instalado en el vehículo de encomienda, que transmitirá información que es enviada a una central de operaciones a través de la red de comunicaciones. 1.2. Ventajas de este dispositivo: Monitoreo permanente de la ruta de entrega y llegada de las encomiendas. Conocer la posición exacta de su vehículo a través del dispositivo móvil. Obtener información detallada del funcionamiento de su vehículo. Ahorrar tiempo determinando en el recorrido. 1.3. Estado del arte El sistema GPS (Sistema de Posicionamiento Global) fue creado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos, para constituir un sistema de navegación 3

Capítulo 1 Capítulo preciso con fines militares, que sustituyera al antiguo sistema utilizado, que no era otro que las mediciones Doppler sobre la constelación Transit. Para ello, aprovecharon las condiciones de la propagación de las ondas de radio de la banda L en el espacio, así como la posibilidad de modular las ondas para que en ellas se pueda incluir la información necesaria, que permita posicionar un objeto en el sistema de referencia apropiado. Este proyecto se hizo realidad entre los meses de febrero y diciembre de 1978, cuando se lanzaron los cuatro primeros satélites de la constelación NAVSTAR, que hacían posible el sistema que resolvería la incógnita de nuestra posición en la Tierra. Actualmente, el GPS funciona mediante una red de 29 satélites que se encuentran orbitando alrededor de la Tierra. Cuando se desea determinar la posición especifica de un punto, lugar u objeto, el dispositivo utilizado, localiza automáticamente cuatro satélites de la red como mínimo, de los que recibe señales indicando la posición del objeto o lugar y el reloj de cada uno de los satélites. En base a estas señales, el dispositivo sincroniza el reloj del GPS y calcula el retraso de las señales, es decir, la distancia del satélite. Por triangulación calcula la posición en el que objeto o lugar se encuentra. La triangulación, en el caso del GPS, se basa en determinar la distancia de cada satélite respecto al punto de medición, por lo que, conocidas las distancias, se determina fácilmente la posición relativa del objeto respecto a los satélites que enviaron las señales. Además, conociendo las coordenadas o posición de cada satélite (por la señal que emite cada satélite), se obtiene la posición absoluta o las coordenadas reales del punto de medición. De igual forma, se obtiene una exactitud extrema en el reloj del GPS, similar a la de los relojes atómicos que desde la Tierra sincronizan a los satélites. La antigua Unión Soviética tenía un sistema similar llamado GLONASS, ahora gestionado por la Federación Rusa. Actualmente la Unión Europea intenta lanzar su propio sistema de posicionamiento por satélite denominado Galileo. [1]. El estudio del monitoreo y localización por GPS mediante la red de comunicaciones es relativamente nuevo en Colombia, pero está aumentando rápidamente. Actualmente se cuenta con la más completa y actualizada base de datos de mapas vector de Colombia, esto permite soportar aplicaciones móviles y en internet de última generación.un sistema capaz de realizar tal tarea tiene diversos usos; permite realizar el monitoreo o seguimiento de la flota de vehículos, en la comodidad de su teléfono celular y tener el reporte a tiempo del estado de los mismos. También puede conocer estadísticas de los recorridos, que le ayudara a tomar decisiones y optimizar los tiempos y rutas de entrega. En este artículo se presentan los hechos mas relevantes de la historia del GPS, funcionamiento y sus principales aplicaciones. 1.4. Justificación e importancia El diseño e implementación de un sistema de localización, rastreo y monitoreo satelital de camiones de entrega de encomiendas; mediante el uso de la red GPS y un dispositivo móvil, es un proyecto de investigación que se desarrollara para el grupo de in- 4

1.5 Definicion del problema vestigación TELETECNO de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas y estará dividido en 4 etapas: Captura (coordenadas satelitales), procesamiento (interpretar los datos obtenidos del GPS y la red GPRS), visualización (ubicación del vehículo en un mapa digital), base de datos (reportes detallados y estadísticos de la información recibida). El sistema de posicionamiento global es una herramienta útil que puede ser aprovechada por una gran cantidad de aplicaciones para diferentes usos. El más común hoy en día es para determinar las rutas y trayectorias de vehículos, para rastreo de automotores, aplicaciones militares, etc. En la telefonía celular se está incluyendo dentro de los equipos un receptor GPS que tiene las mismas funcionalidades y que pueden ser usadas de manera gratuita en un dispositivo móvil. 1.5. Definicion del problema El estudio del monitoreo y localización por GPS mediante la red de comunicaciones es relativamente nuevo en Colombia, pero está aumentando rápidamente. Actualmente se cuenta con la más completa y actualizada base de datos de mapas vector de Colombia, esto permite soportar aplicaciones móviles y en internet de última generación. Un sistema capaz de realizar tal tarea tiene diversos usos; permite realizar el monitoreo o seguimiento de la flota de vehículos, en la comodidad del teléfono celular y tener el reporte a tiempo del estado de los mismos. También puede conocer estadísticas de los recorridos, que le ayudara a tomar decisiones y optimizar los tiempos y rutas de entrega. Con el fin de desarrollar esta investigación y a su vez apropiarse de las nuevas tecnologías, TELETECNO a querido aportar en la creación de un software donde sea posible identificar, mediante el tratamiento digital de imágenes, y así ofrecer al conductor un viaje seguro dentro de su vehículo. 1.6. Objetivos 1.6.1. General Diseñar e implementar un sistema de localización, rastreo y monitoreo satelital de camiones de entrega de encomiendas; mediante el uso de GPS. 5

Capítulo 1 Capítulo 1.6.2. Específicos Diseñar un interfaz GPS que permita conocer la posición geográfica, velocidad y estado del vehículo. Desarrollar un software que permita interpretar los datos obtenidos del GPS y la red GPRS. Visualizar mediante el uso de un dispositivo móvil, la ubicación del vehículo en un mapa digital. Crear una base de datos con reportes detallados y estadísticos de la información recibida. 6

2 Capítulo 2.1. Alcances y limitaciones 2.1.0.1. Alcances: Nuevos métodos están en desarrollo contínuo para hacer los sistemas GPS más precisos y confiables. En el presente, los más comunes son el GPS diferencial (DGPS), y el Sistema de Aumento en Areas Amplias ("Wide Area Augmentation System" - WAAS). El DGPS basicamente utiliza estaciones basadas en tierra, cuya ubicación se conoce precisamente, para recibir las señales de los satélites, aplicar correcciones (como se conoce su ubicación exacta, las estaciones pueden determinar los errores en las señales), y diseminarlas de modo que receptores adecuadamente equipados las puedan recibir y usarlas para corregir sus propias señales. WAAS es un sistema de satélites segundario desarrollado por la Administración Federal de Aviación que no solo transmite señales de GPS, sino también monitorea y reporta el estado de los satelites de GPS, y transmite información de DGPS. El sistema solo es disponible sobre Norteamérica y el Océano Pacífico. La mayoría de los posicionadores GPS disponibles hoy en día son capaces de precisión de 10 metros o menos. Uso de técnicas avanzadas, como las ya descritas pueden aumentar la precisión a un metro o menos. Aplicaciones especializadas que utilizan tecnicas sofisticadas de manipulación de datos y equipos de primera clase pueden obtener precisiones medidas en centímetros.[3] Esta aplicación GPS permite a dispositivos moviles tener funcionalidades de posicionamiento geográfico, envía datos de posicionamiento al servidor GPS. Al iniciar el programa envía la posición GPS al servidor y almacena los datos de seguimiento en este en forma gratuita. Permite compartir con otras personas o máquinas los datos de posicionamiento. 2.1.0.2. Limitaciones: El presente proyecto solo implementa lo expuesto en los objetivos general y específicos para cumplir con lo ya descrito en la propuesta. El sistema de posicionamiento global es una herramienta útil que puede ser aprovechada por una gran cantidad de 7

Capítulo 2 Capítulo aplicaciones para diferentes usos. El más común hoy en día es para determinar las rutas y trayectorias de vehículos, para rastreo de automotores, aplicaciones militares, etc. 2.2. Resultados esperados Mediante un interfaz GPS permitir conocer la posición geográfica, velocidad y estado del vehículo con el desarrollo de un software que interprete los datos obtenidos del GPS y la red GPRS para visualizar la ubicación del vehículo en un mapa digital, por medio del uso de un dispositivo móvil y finalmente, obtener una base de datos que permita obtener reportes detallados y estadísticos de la información recibida. Figura 1. Diseño e implementación de un sistema de localización, rastreo y monitoreo satelital de camiones de entrega de encomiendas; mediante el uso de gps y un dispositivo móvil. 2.3. Metodología Las coordenadas enviadas desde dicho dispositivo a la central de monitoreo son procesadas en varias etapas: Captura (coordenadas satelitales), procesamiento (interpretar los datos obtenidos del GPS y la red GPRS), visualización (ubicación del vehículo en un mapa digital), y por ultimo la base de datos (reportes detallados y estadísticos de la información recibida). 8

2.3 Metodología 2.3.1. Captura: La distancia a los satélites se calcula midiendo el tiempo que toma la señal al llegar del satélite al recibidor (Distancia = velocidad X tiempo). Debido a que las señales de radio viajan a la velocidad de la luz (186,000 millas por segundo) los tiempos en tránsito de satélites a recibidores son extremadamente pequeños y se necesitan dispositivos de cronometraje extremadamente precisos para medirlos con exactitud, por lo cual surge la necesidad de llevar relojes atómicos en los satélites. Sin embargo, los receptores no llevan relojes atómicos lo cual introduce errores en ese lado del sistema, y aún errores de cronometraje pequeños pueden resultar en grandes errores de posición. Aquí es donde entra en juego la cuarta medida. Si las cuatro medidas son exactas, la esfera definida por la cuarta medida debe cruzar las otras tres en un punto que representa la posición actual. Si existen errores, la cuarta esfera no cruzará a todas las otras. Debido a que el error del recibidor es el mismo para las cuatro medidas, un ordenador en el recibidor puede calcular una corrección que haga que las cuatro esferas cruzen, y aplicar la corrección a las medidas para obtener la posición correcta. La cuarta medida también permite al sistema calcular una posición en tres dimensiones que incluye no solo latitud y longitud, sino tambien altitud. Las medidas de altitud, sin embargo, se reportan con referencia a un modelo matemático de la tierra para poder expresarlas en relación a un datum convencional (normalmente nivel del mar). El modelo es solo una aproximación por lo cual las medidas de altitud son menos precisas que las de latitud y longitud, y los errores son diferentes en diferentes partes del planeta.[2] Nuevos métodos están en desarrollo contínuo para hacer los sistemas GPS más precisos y confiables. En el presente, los más comunes son el GPS diferencial (DGPS), y el Sistema de Aumento en Areas Amplias ("Wide Area Augmentation System" - WAAS). El DGPS basicamente utiliza estaciones basadas en tierra, cuya ubicación se conoce precisamente, para recibir las señales de los satélites, aplicar correcciones (como se conoce su ubicación exacta, las estaciones pueden determinar los errores en las señales), y diseminarlas de modo que receptores adecuadamente equipados las puedan recibir y usarlas para corregir sus propias señales. WAAS es un sistema de satélites segundario desarrollado por la Administración Federal de Aviación que no solo transmite señales de GPS, sino también monitorea y reporta el estado de los satelites de GPS, y transmite información de DGPS. El sistema solo es disponible sobre Norteamérica y el Océano Pacífico. La mayoría de los posicionadores GPS disponibles hoy en día son capaces de precisión de 10 metros o menos. Uso de técnicas avanzadas, como las ya descritas pueden aumentar la precisión a un metro o menos. Aplicaciones especializadas que utilizan tecnicas sofisticadas de manipulación de datos y equipos de primera clase pueden obtener precisiones medidas en centímetros.[3] 9

Capítulo 2 Capítulo 2.3.2. Procesamiento Para calcular la posición geográfica, el GPS capta señales y determina la distancia relativa a cada uno y por triangulación (intersección de tres circunferencias espaciales) determina las coordenadas x,y,z de la posición geográfica del GPS, y la muestra con un ícono en la pantalla del equipo. Si el GPS tiene incorporadas cartas geográficas, el usuario verá su posición en el mapa, a tiempo real. Para determinar la posición de un punto en el espacio, es suficiente conocer las distancias a tres puntos de coordenadas conocidas. Se trata de una intersección espacial inversa. Es un problema geométrico relativamente simple, más allá de las dificultades que su cálculo suponga. Se trata, en definitiva de una pirámide de base triangular. Cuando se diseñó GPS se estableció que el código C/A (código de adquisición común) fuera de libre adquisición, es decir no reservado para uso militar. El problema a resolver es MEDIR LAS DISTANCIAS entre satélites y receptor. Recordemos el método aplicado en los distanciómetros electrónicos: el aparato emite una onda homogénea de frecuencia conocida, la cual se refleja en un prisma colocado en el otro extremo del segmento a medir; el rebote es recibido por el aparato, el cual mide el desfasaje, lo convierte en tiempo y por lo tanto en distancia equivalente. Dejamos de lado aspectos particulares de la distanciometría electrónica que no vienen al caso. En GPS la medición es de vía única, es decir no hay reflexión. Debe medirse el tiempo necesario para que la señal recorra la distancia satélite - receptor. Puesto que se trata de medir tiempos es necesario contar con relojes adecuados tanto en los satélites como en el receptor. En realidad son instrumentos que distan mucho de la noción usual de reloj. Se trata de osciladores de frecuencias muy estables capaces de señalar medidas de tiempo del orden de 10-13 segundos (o 10-14 ) en los satélites y 10-8 segundos en los receptores. Al código lo podemos imaginar como una serie de ceros y unos, o bien de (+1) y (-1), en un cierto orden. Al multiplicar la onda portadora por el código, aquella no se altera cuando se encuentra con los (+1), pero se invierte donde aparecen los (-1). Todo ello da como resultado una onda deformada, un seudo ruido aparentemente aleatorio, que es lo que llega al receptor.[4] 2.3.3. Visualización El sistema de posicionamiento global es una herramienta útil que puede ser aprovechada por una gran cantidad de aplicaciones para diferentes usos. El más común hoy en día es para determinar las rutas y trayectorias de vehículos, para rastreo de automotores, aplicaciones militares, etc. En la telefonía celular se está incluyendo dentro de los equipos un receptor GPS que tiene las mismas funcionalidades y que pueden ser usadas de manera gratuita en un dispositivo móvil. Una vez tenga instalada la aplicación, al momento de ingresar el GPS se activa y con 10

2.5 Presupuesto solo presionar la tecla cero se muestra en el mapa la ubicación exacta en donde se encuentra usted. Es sencillo y práctico para encontrar direcciones ya que en el mapa están rotuladas las vías tal y como las conocemos como calles y carreras. Esta aplicación GPS permite a dispositivos moviles tener funcionalidades de posicionamiento geográfico, envía datos de posicionamiento al servidor GPS. Al iniciar el programa envía la posición GPS al servidor y almacena los datos de seguimiento en este en forma gratuita. Permite compartir con otras personas o máquinas los datos de posicionamiento.[6] 2.3.4. Base de datos: Que permita obtener reportes detallados y estadísticos de la información recibida. 2.4. Cronograma Mes 1 2 3 4 5 6 Levantamiento de información semanas 4 Estructuración de la secuencia semanas 2 2 Diseño de la interfaz semanas 2 3 Pruebas preliminares semanas 4 Procesamiento de los datos semanas 2 3 Diseño del aplicativo movil semanas 4 Pruebas preliminares semanas 1 2 Base de datos semanas 4 1 Ajustes y pruebas finales semanas 1 2 Publicaciones semanas 1 Tabla1. Cronograma de actividades 2.5. Presupuesto Descripción Valor GPS Receiver Module Model: GM-1315LA UBX-G6010 $81.200 M10EVB-KIT $58.000 Módulo GSM Quectel M10 $58.000 Otros materiales $10.000 11

Capítulo 2 Capítulo Computador (uso propio) $1.050.000 Gastos de personal investigador $1.500.000 TOTAL COSTOS $2ť757.000 Tabla2. Presupuesto 12

Bibliografía [1] T. Casamen and R. Daniel, Diseño e implementación de un sistema automático para asistencia de conducción vehicular, 2010, pag 14. [2] J. R. Rey, El Sistema de Posicionamiento Global - GPS, 01-Jul-2010. [Online]. Available: http://edis.ifas.ufl.edu/in657. [Accessed: 09-Jun-2012]. [3] E. Huerta, A. Manguiaterra, and G. Noguera, GPS posicionamiento satelital, vol. 1. Argentina: UNR, 2005. [4] GEO-A-FranciscoSaldaña_curso gps_.pdf.. [5] J. Cortés and F. Medina, IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE POSI- CIONAMIENTO GLOBAL UTILIZANDO EL MÓDULO GPS SIRFSTARIII. MTI-6 DE STARSNAV. Agosto de-2010. [6] Mi celular tiene GPS, cómo funciona y para que me sirve?, El Universal - Cartagena. [Online]. Available: http://www.eluniversal.com.co/cartagena/tecnologia/mi-celular-tiene-gps- %C2 %BFcomofunciona-y-para-que-me-sirve-16585. [Accessed: 20-Jun-2012]. 13