Tesis para obtener el grado de Ingenieria entelecomunicaciones

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 QuevedoDirector: Hermes Javier Eslava Blanco M.Sc. Ph.D (c)

Universidad Distrital Francisco José de CaldasFacultad Tecnológica

Ingeniería en telecomunicaciones

Índice general

Resumen 1

1. Capítulo 31.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2. Ventajas de este dispositivo: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.3. Estado del arte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.4. Justificación e importancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.5. Definicion del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.6. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.6.1. General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.6.2. Específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2. Capítulo 72.1. Alcances y limitaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2. Resultados esperados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.3. Metodología . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.3.1. Captura: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.3.2. Procesamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.3.3. Visualización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.3.4. Base de datos: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.4. Cronograma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.5. Presupuesto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

Bibliografía 13

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Resumen

Este artículo muestra el proceso de un sistema de localización, rastreo y monitoreosatelital de camiones; mediante el uso de GPS y un dispositivo movil. Las coordena-das enviadas desde dicho dispositivo a la central de monitoreo son procesadas en va-rias etapas: Captura (coordenadas satelitales), procesamiento (interpretar los datosobtenidos del GPS y la red GPRS), visualización (ubicación del vehículo en un mapadigital), y por ultimo la base de datos (reportes detallados y estadísticos de la infor-mación recibida).

AbstractThis article shows the process of a tracking system, satellite tracking and monitoringof trucks using GPS and a mobile device. The coordinates sent from the device tothe monitoring station are processed in several stages: capture (satellite coordina-tes), processing (interpreting the data obtained from GPS and GPRS), visualization(vehicle location on a digital map), and Finally the database (detailed reports andstatistical information received).

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1 Capítulo

1.1. Introducción

El Sistema de Posicionamiento Global ("Global Positioning System" - GPS) es unsistema de navegación compuesto de una otilla de satélites puestos en órbita porel Departamento de Defensa de los Estados Unidos, y sus estaciones en tierra rme.Usando GPS, uno puede detrminar automaticamente su posición (latitud y longi-tud) en la tierra. Funciona continuamente en todas partes del mundo y es disponiblea todos libre de cargos. Con orígenes en aplicaciones militares secretas, GPS se haconvertido en parte de nuestra vida cotidiana. Con la experiencia de la llegada deltratado de libre comercio (TLC), los operadores logísticos, necesitan soluciones demonitoreo GPS que le permitan tener control de sus rutas de entrega de encomien-das; donde también pueda acceder a información del funcionamiento de su vehículo(posición geográfica, velocidad, altitud, longitud, rumbo, estado de las diferentesentradas, notificación de eventos, tiempos de inactividad, salidas de ruta, informa-ción histórica de posición y otras alertas adicionales), consultar reportes detalladosde estos informes y optimizar la operación de entrega. Este dispositivo utilizaraGPS-GPRS (Satélite + Celular), instalado en el vehículo de encomienda, que trans-mitirá información que es enviada a una central de operaciones a través de la red decomunicaciones.

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 Departa-mento de Defensa de los Estados Unidos, para constituir un sistema de navegación

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Capítulo 1 Capítulo

preciso con fines militares, que sustituyera al antiguo sistema utilizado, que no eraotro que las mediciones Doppler sobre la constelación Transit. Para ello, aprovecha-ron las condiciones de la propagación de las ondas de radio de la banda L en elespacio, así como la posibilidad de modular las ondas para que en ellas se puedaincluir la información necesaria, que permita posicionar un objeto en el sistema dereferencia apropiado. Este proyecto se hizo realidad entre los meses de febrero y di-ciembre de 1978, cuando se lanzaron los cuatro primeros satélites de la constelaciónNAVSTAR, que hacían posible el sistema que resolvería la incógnita de nuestra po-sición en la Tierra. Actualmente, el GPS funciona mediante una red de 29 satélitesque se encuentran orbitando alrededor de la Tierra. Cuando se desea determinarla posición especifica de un punto, lugar u objeto, el dispositivo utilizado, localizaautomáticamente cuatro satélites de la red como mínimo, de los que recibe señalesindicando la posición del objeto o lugar y el reloj de cada uno de los satélites. Enbase a estas señales, el dispositivo sincroniza el reloj del GPS y calcula el retraso delas señales, es decir, la distancia del satélite. Por triangulación calcula la posiciónen el que objeto o lugar se encuentra. La triangulación, en el caso del GPS, se basaen determinar la distancia de cada satélite respecto al punto de medición, por loque, conocidas las distancias, se determina fácilmente la posición relativa del objetorespecto a los satélites que enviaron las señales. Además, conociendo las coordena-das o posición de cada satélite (por la señal que emite cada satélite), se obtiene laposición absoluta o las coordenadas reales del punto de medición. De igual forma, seobtiene una exactitud extrema en el reloj del GPS, similar a la de los relojes atómi-cos que desde la Tierra sincronizan a los satélites. La antigua Unión Soviética teníaun sistema similar llamado GLONASS, ahora gestionado por la Federación Rusa.Actualmente la Unión Europea intenta lanzar su propio sistema de posicionamientopor satélite denominado Galileo. [1].El estudio del monitoreo y localización por GPS mediante la red de comunicacioneses relativamente nuevo en Colombia, pero está aumentando rápidamente. Actual-mente se cuenta con la más completa y actualizada base de datos de mapas vectorde Colombia, esto permite soportar aplicaciones móviles y en internet de última ge-neración.Un sistema capaz de realizar tal tarea tiene diversos usos; permite realizarel monitoreo o seguimiento de la flota de vehículos, en la comodidad de su teléfonocelular y tener el reporte a tiempo del estado de los mismos. También puede cono-cer estadísticas de los recorridos, que le ayudara a tomar decisiones y optimizar lostiempos y rutas de entrega. En este artículo se presentan los hechos mas relevantesde 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 sateli-tal de camiones de entrega de encomiendas; mediante el uso de la red GPS y un dispo-sitivo móvil, es un proyecto de investigación que se desarrollara para el grupo de in-

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1.5 Definicion del problema

vestigación TELETECNO de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas y es-tará 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 seraprovechada por una gran cantidad de aplicaciones para diferentes usos. El máscomún hoy en día es para determinar las rutas y trayectorias de vehículos, pararastreo de automotores, aplicaciones militares, etc. En la telefonía celular seestá incluyendo dentro de los equipos un receptor GPS que tiene las mismasfuncionalidades y que pueden ser usadas de manera gratuita en un dispositivomóvil.

1.5. Definicion del problema

El estudio del monitoreo y localización por GPS mediante la red de comunicacioneses relativamente nuevo en Colombia, pero está aumentando rápidamente. Actual-mente se cuenta con la más completa y actualizada base de datos de mapas vectorde Colombia, esto permite soportar aplicaciones móviles y en internet de últimageneración.

Un sistema capaz de realizar tal tarea tiene diversos usos; permite realizar el moni-toreo o seguimiento de la flota de vehículos, en la comodidad del teléfono celular ytener el reporte a tiempo del estado de los mismos. También puede conocer estadís-ticas de los recorridos, que le ayudara a tomar decisiones y optimizar los tiempos yrutas de entrega.

Con el fin de desarrollar esta investigación y a su vez apropiarse de las nuevastecnologías, TELETECNO a querido aportar en la creación de un software dondesea posible identificar, mediante el tratamiento digital de imágenes, y así ofrecer alconductor 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 decamiones de entrega de encomiendas; mediante el uso de GPS.

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Capítulo 1 Capítulo

1.6.2. Específicos

Diseñar un interfaz GPS que permita conocer la posición geográfica, velocidady estado del vehículo.Desarrollar un software que permita interpretar los datos obtenidos del GPSy la red GPRS.Visualizar mediante el uso de un dispositivo móvil, la ubicación del vehículoen un mapa digital.Crear una base de datos con reportes detallados y estadísticos de la informaciónrecibida.

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2 Capítulo

2.1. Alcances y limitaciones

2.1.0.1. Alcances:

Nuevos métodos están en desarrollo contínuo para hacer los sistemas GPS más pre-cisos 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 ubicaciónse conoce precisamente, para recibir las señales de los satélites, aplicar correcciones(como se conoce su ubicación exacta, las estaciones pueden determinar los erroresen las señales), y diseminarlas de modo que receptores adecuadamente equipados laspuedan recibir y usarlas para corregir sus propias señales. WAAS es un sistema desatélites segundario desarrollado por la Administración Federal de Aviación que nosolo transmite señales de GPS, sino también monitorea y reporta el estado de lossatelites de GPS, y transmite información de DGPS. El sistema solo es disponiblesobre Norteamérica y el Océano Pacífico.

La mayoría de los posicionadores GPS disponibles hoy en día son capaces de preci-sión de 10 metros o menos. Uso de técnicas avanzadas, como las ya descritas puedenaumentar la precisión a un metro o menos. Aplicaciones especializadas que utilizantecnicas sofisticadas de manipulación de datos y equipos de primera clase puedenobtener precisiones medidas en centímetros.[3]

Esta aplicación GPS permite a dispositivos moviles tener funcionalidades de posicio-namiento geográfico, envía datos de posicionamiento al servidor GPS. Al iniciar elprograma envía la posición GPS al servidor y almacena los datos de seguimiento eneste en forma gratuita. Permite compartir con otras personas o máquinas los datosde posicionamiento.

2.1.0.2. Limitaciones:

El presente proyecto solo implementa lo expuesto en los objetivos general y especí-ficos para cumplir con lo ya descrito en la propuesta. El sistema de posicionamientoglobal es una herramienta útil que puede ser aprovechada por una gran cantidad de

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Capítulo 2 Capítulo

aplicaciones para diferentes usos. El más común hoy en día es para determinar lasrutas 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 estadodel vehículo con el desarrollo de un software que interprete los datos obtenidos delGPS 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 datosque 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 deentrega 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 sonprocesadas en varias etapas: Captura (coordenadas satelitales), procesamiento (in-terpretar los datos obtenidos del GPS y la red GPRS), visualización (ubicación delvehículo en un mapa digital), y por ultimo la base de datos (reportes detallados yestadísticos de la información recibida).

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2.3 Metodología

2.3.1. Captura:

La distancia a los satélites se calcula midiendo el tiempo que toma la señal al llegardel satélite al recibidor (Distancia = velocidad X tiempo). Debido a que las señalesde radio viajan a la velocidad de la luz (186,000 millas por segundo) los tiemposen tránsito de satélites a recibidores son extremadamente pequeños y se necesitandispositivos 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 delsistema, y aún errores de cronometraje pequeños pueden resultar en grandes erroresde posición. Aquí es donde entra en juego la cuarta medida.

Si las cuatro medidas son exactas, la esfera definida por la cuarta medida debe cruzarlas 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 recibidores el mismo para las cuatro medidas, un ordenador en el recibidor puede calcularuna corrección que haga que las cuatro esferas cruzen, y aplicar la corrección a lasmedidas para obtener la posición correcta.

La cuarta medida también permite al sistema calcular una posición en tres dimen-siones que incluye no solo latitud y longitud, sino tambien altitud. Las medidas dealtitud, sin embargo, se reportan con referencia a un modelo matemático de la tierrapara poder expresarlas en relación a un datum convencional (normalmente nivel delmar). El modelo es solo una aproximación por lo cual las medidas de altitud sonmenos precisas que las de latitud y longitud, y los errores son diferentes en diferentespartes del planeta.[2]

Nuevos métodos están en desarrollo contínuo para hacer los sistemas GPS másprecisos 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 ubicaciónse conoce precisamente, para recibir las señales de los satélites, aplicar correcciones(como se conoce su ubicación exacta, las estaciones pueden determinar los erroresen las señales), y diseminarlas de modo que receptores adecuadamente equipados laspuedan recibir y usarlas para corregir sus propias señales. WAAS es un sistema desatélites segundario desarrollado por la Administración Federal de Aviación que nosolo transmite señales de GPS, sino también monitorea y reporta el estado de lossatelites de GPS, y transmite información de DGPS. El sistema solo es disponiblesobre Norteamérica y el Océano Pacífico.

La mayoría de los posicionadores GPS disponibles hoy en día son capaces de precisiónde 10 metros o menos. Uso de técnicas avanzadas, como las ya descritas puedenaumentar la precisión a un metro o menos. Aplicaciones especializadas que utilizantecnicas sofisticadas de manipulación de datos y equipos de primera clase puedenobtener precisiones medidas en centímetros.[3]

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Capítulo 2 Capítulo

2.3.2. Procesamiento

Para calcular la posición geográfica, el GPS capta señales y determina la distancia re-lativa 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 conun 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 lasdistancias a tres puntos de coordenadas conocidas. Se trata de una intersecciónespacial inversa. Es un problema geométrico relativamente simple, más allá de lasdificultades que su cálculo suponga. Se trata, en definitiva de una pirámide de basetriangular.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 aresolver es MEDIR LAS DISTANCIAS entre satélites y receptor. Recordemos elmétodo aplicado en los distanciómetros electrónicos: el aparato emite una ondahomogénea de frecuencia conocida, la cual se refleja en un prisma colocado en elotro extremo del segmento a medir; el rebote es recibido por el aparato, el cual mideel desfasaje, lo convierte en tiempo y por lo tanto en distancia equivalente. Dejamosde lado aspectos particulares de la distanciometría electrónica que no vienen alcaso. En GPS la medición es de vía única, es decir no hay reflexión. Debe medirseel tiempo necesario para que la señal recorra la distancia satélite - receptor. Puestoque se trata de medir tiempos es necesario contar con “relojes” adecuados tanto enlos satélites como en el receptor. En realidad son instrumentos que distan mucho dela noción usual de reloj. Se trata de osciladores de frecuencias muy estables capacesde señalar medidas de tiempo del orden de 10 -13 segundos (o 10 -14 ) en los saté-lites 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 nose 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 aparentementealeatorio, que es lo que llega al receptor.[4]

2.3.3. Visualización

El sistema de posicionamiento global es una herramienta útil que puede ser apro-vechada por una gran cantidad de aplicaciones para diferentes usos. El más comúnhoy en día es para determinar las rutas y trayectorias de vehículos, para rastreo deautomotores, aplicaciones militares, etc. En la telefonía celular se está incluyendodentro de los equipos un receptor GPS que tiene las mismas funcionalidades y quepueden 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

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2.5 Presupuesto

solo presionar la tecla cero se muestra en el mapa la ubicación “exacta” en donde seencuentra usted. Es sencillo y práctico para encontrar direcciones ya que en el mapaestán rotuladas las vías tal y como las conocemos como calles y carreras.Esta aplicación GPS permite a dispositivos moviles tener funcionalidades de posicio-namiento geográfico, envía datos de posicionamiento al servidor GPS. Al iniciar elprograma envía la posición GPS al servidor y almacena los datos de seguimiento eneste en forma gratuita. Permite compartir con otras personas o máquinas los datosde 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 4Estructuración de la secuencia semanas 2 2

Diseño de la interfaz semanas 2 3Pruebas preliminares semanas 4

Procesamiento de los datos semanas 2 3Diseño del aplicativo movil semanas 4

Pruebas preliminares semanas 1 2Base de datos semanas 4 1

Ajustes y pruebas finales semanas 1 2Publicaciones semanas 1

Tabla1. Cronograma de actividades

2.5. Presupuesto

Descripción ValorGPS Receiver Module Model: GM-1315LA UBX-G6010 $81.200

M10EVB-KIT $58.000Módulo GSM Quectel M10 $58.000

Otros materiales $10.000

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Capítulo 2 Capítulo

Computador (uso propio) $1.050.000Gastos de personal investigador $1.500.000

TOTAL COSTOS $2ť757.000

Tabla2. Presupuesto

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Bibliografía

[1] T. Casamen and R. Daniel, “Diseño e implementación de un sistema automáticopara 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 mesirve?,” El Universal - Cartagena. [Online]. Available:http://www.eluniversal.com.co/cartagena/tecnologia/mi-celular-tiene-gps- %C2 %BFcomo-funciona-y-para-que-me-sirve-16585. [Accessed: 20-Jun-2012].

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