Глава 1

Система сотовой связи GSM

Система GSM (Global System for Mobile Communications) первоначально разрабатывалась как общеевропейская цифровая система сотовой радиосвязи. Сегодня она представляет собой глобальную и наиболее популярную в мире систему. Главные цели при разработке общеевропейского стандарта были связаны с переходом на цифровые методы передачи, обеспечением межсетевого и международного роуминга, а также совместимостью оборудования различных производителей.

В соответствии с рекомендацией Конференции европейских почтовых и телекоммуникационных служб (Conference of European Postal and Telecommunications Administrations, CEPT) 1980 г., касающейся использования спектра частот мобильной связи в диапазоне 862...960 МГц, стандарт GSM предусматривает работу передатчиков в двух полосах частот: 890... 915 МГц (для передатчиков мобильных станций) и 935... 960 МГц (для передатчиков базовых станций). В дальнейшем были выделены полосы частот в диапазоне 1800 МГц (1710...1785/1805...1880 МГц) и в диапазоне частот Е-GSM (880...890/925...935 МГц). В табл. 1.1 приведены основные характеристики стандарта GSM.

1.1. Структурная схема и состав оборудования GSM

            Функциональное построение и интерфейсы, принятые в стандарте GSM, показаны на рис. 1.1, где изображены три основные подсистемы: подсистема базовых станций (Base Station Subsystem, BSS), подсистема коммутации (Network and Switching Subsystem, NSS) и подсистема управления и обслуживания (Operation and Maintenance Subsystem, OMS). Сопряжение элементов системы осуществляется рядом интерфейсов с использованием системы общеканальной сигнализации № 7 (SS№ 7).

 Подсистема базовых станций (BSS) обеспечивает соединение мобильных станций с сетью и состоит из базовых станций (Base Transceiver Station, BTS) и контроллеров базовых станций (Base Station Controller, ВSС). BSS отвечает за распределение радиоканалов, контролирует соединения, регулирует их очередность, обеспечивает модуляцию и демодуляцию сигналов, кодирование и декодирование сообщений, кодирование речи, адаптацию скорости передачи для речи, данных и вызовов. Базовая станция представляет собой приемо-передающее устройство, которое совместно с антенной обеспечивает радио покрытие в заданной области, называемой ячейкой* (сотой) сети. Основная функция BTS — установление и удержание соединения с мобильными терминалами через радиоинтерфейс Um.

Контроллер базовых станций (BSC) обеспечивает управление радиоканалами подключенных к нему базовых станций: выделение радиоканала при установлении соединения, обеспечение непрерывности связи (хэндовера) между ячейками сети и др.

            Хэндовер выполняется при пересечении MS границы ячейки, когда средний уровень принимаемого на ВТS сигнала падает ниже порогового. В этот момент BSC предоставляет абоненту другую свободную частоту из группы частот новой BTS, в которой принимаемый сигнал максимально превышает заданный уровень. Такая процедура передачи вызова позволяет сохранять соединение, обеспечивать непрерывность разговора при перемещении абонента сотовой сети из одной зоны обслуживания в другую, а также определить местоположение MS с точностью до ячейки. BSC управляет множеством сот и осуществляет хэндоверы в пределах своей зоны обслуживания. Когда передача вызовов происходит между двумя фрагментами сети, управляемыми разными контроллерами, то первичное управление осуществляется в MSC. Соединение между базовыми станциями и контроллером сети устанавливается через интерфейс Abides.

Подсистема коммутации (NSS) предназначена для установления, удержания и прекращения телефонного соединения, обеспечивает подключение к остальным сетям (ISDN, PSTN, PDN и др.) и содержит базы данных идентификации абонентов. Основной элемент NSS — центр коммутации мобильной связи (MSC), который обслуживает группу контроллеров и обеспечивает все виды соединений, необходимых для работы мобильных станций. Он выполняет маршрутизацию вызовов, функции управления вызовами и служит интерфейсом к фиксированным сетям общего пользования. Кроме того, МSС формирует данные, необходимые для выписки счетов за предоставленные сетью услуги связи, накапливает данные по состоявшимся разговорам и передает их в центр расчетов (биллинг-центр), постоянно определяет местоположение мобильной станции и регистрирует полномочия абонентов, используя домашний регистр (Home Location Register, HLR) и визитный регистр (Visited Location Register, VLR).

            В HLR хранится та часть информации о местоположении мобильной станции, которая позволяет центру коммутации доставить вызов станции. Эта информация представляет собой базу данных о мобильных абонентах сети, приписанных к HLR. Исходя из данных, хранящихся в HLR, абоненту предоставляются основные и дополнительные услуги, обеспечиваемые системой. Peгистр HLR содержит международный идентификационный номер мобильного абонента (Intenational Mobile Subscriber Identity, IMSI), позволяющий опознавать мобильную станцию в центре аутентификации (Authentication Center, AuC). К данным, хранящимся в домашнем регистре, имеют дистанционный доступ все центры коммутации и визитные регистры сети. Доступ к базе данных об абонентах домашнего регистра осуществляется по IMSI или международному ISDN-номеру мобильной станции (Mobile Station International ISDN Number, MSISDN).

VLR регистрирует активных абонентов сети и контролирует перемещение мобильной станции из зоны в зону. С его помощью достигается функционирование мобильной станции за пределами зоны, контролируемой HLR. Визитный регистр содержит те же данные, что и домашний, однако эти данные содержатся в визитном регистре только до тех пор, пока абонент находится в зоне, контролируемой VLR.

В сети GSM соты группируются в географические зоны (Location Area, LA), которым присваивается свой идентификационный номер. Визитный регистр содержит данные об абонентах нескольких географических зон. Когда мобильный абонент перемещается из одной LA в другую и переходит из зоны действия одного контроллера базовых станций (BSC) в зону действия другого, он регистрируется новым BSC, и данные о его местоположении автоматически обновляются в VLR. Визитный регистр также присваивает роуминговый номер мобильной станции (Mobile Station Roaming Number, MSRN). Когда мобильная станция принимает входящий вызов, визитный регистр назначает ей роуминговый номер и передает его в центр коммутации мобильной связи (MSC), который осуществляет маршрутизацию этого вызова к базовым станциям, расположенным вблизи мобильного абонента.

            Для исключения несанкционированного доступа в систему вводятся механизмы аутентификации — удостоверения подлинности абонента. Центр аутентификации состоит из нескольких блоков и формирует алгоритмы аутентификации. С его помощью проверяются полномочия абонента и осуществляется его доступ к ресурсам сети связи.

Регистр идентификации оборудования (Equipment Identity Register, EIR) содержит базу данных для подтверждения подлинности международного идентификационного номера оборудования мобильной станции (International Mobile Station Equipment Identity, IMEI). База данных EIR состоит из списков номеров IMEI, организованных следующим образом:

белый список — номера, о которых есть сведения, что они закреплены за санкционированными базовыми станциями;

черный список — номера мобильных станций, которые украдены или которым отказано в обслуживании по иной причине;

            серый список — номера мобильных станций, у которых существуют проблемы, выявленные по данным программного обеспечения, что не является основанием для внесения в черный список.

            Как и в случае с домашним регистром, сеть может иметь более одного регистра идентификации, при этом каждый EIR управляет определенными группами IMEI.

1.2. Пакетная передача данных в сетях GSM

1.2.1. Технология GPRS

Первоначально сети GSM обеспечивали передачу сообщений только в режиме с коммутацией каналов. Для увеличения скорости передачи данных в существующих сетях GSM была разработана технология пакетной передачи данных по радиоканалу (General Packet Radio Service, GPRS).

По существу, GPRS — это наложенная на GSM система пакетной передачи данных, где весь поток данных разбивается на отдельные пакеты и затем доставляется пользователю, где происходит сборка пакетов. При использовании пакетной передачи данных мобильный терминал получает и отправляет данные с переменной скоростью, зависящей от условий распространения радиоволн и наличия свободных каналов связи, выделенных для GPRS в пределах заданной соты. При этом динамическое выделение каналов (теоретически абонент может получить от одного до восьми ТDМА-кадров) происходит часто исходя из приоритета голосовых каналов, т.е. система автоматически выделяет под пакетную передачу все радиоканалы, не занятые передачей речи. В последнее время для GPRS выделяются самостоятельные каналы данных.

Мобильные терминалы с GPRS классифицируются по трем классам исходя из возможности одновременных запросов на передачу речи (через GSM) и передачу данных (через GPRS).

Класс А — терминал позволяет одновременно осуществлять передачу речи и данных в режиме GPRS. В случае приема информации и при входящем вызове терминал класса А поддерживает одновременную работу по передаче речи и данных.

            Класс В — терминал поддерживает и речевое соединение, и передачу данных в пакетном режиме, но эти режимы используются не одновременно (во время передачи данных через GPRS абонент не может совершать и принимать речевые сообщения, и наоборот). В каждый момент времени может передаваться только трафик GSM или GPRS. Если во время загрузки информации из Интернета (режим GPRS) мобильный терминал принимает вызов для голосовой связи, передача данных прерывается. Как только речевое соединение завершается, загрузка данных возобновляется, поскольку логическая связь между сетью GPRS и терминалом сохраняется. Выбор режимов «CGPRS» или «речь» осуществляется, как правило, автоматически с приоритетом последнего.

            Класс С — терминал обеспечивает только передачу данных в пакетном режиме или только речи. Выбор режимов C(GPRS) или «речь» выполняется вручную. Например, если терминал обслуживает передачу данных, голосовое соединение невозможно.

            Скорость приема и передачи сообщений зависит от возможностей конкретной модели мобильного терминала, а именно, от количества каналов, поддерживающих прием и передачу данных.

            Для гибкого использования ресурса сотовой сети в GPRS реализованы четыре схемы кодирования (Coding Scheme, CS), обозначаемые как CS1, CS2, СS3, СS4. Каждая из схем позволяет обеспечить определенные скорости передачи в расчете на один канал и предъявляет свои требования к величине отношения сигнал/шум в канале связи (табл. 1.2, рис. 1.2).

На практике наибольшее распространение получила схема кодирования СS2 при одновременном занятии четырех временных интервалов (тайм-слотов) в ТDМА-кадре GSM в прямом канале (DL) и одного тайм-слота в обратном канале (UL). Таким образом, в существующих GSM/GРRS-сетях скорость передачи данных по технологии GPRS в прямом канале при схеме кодирования СS2 не превышает 53,6 кбит/с.

Поскольку сеть передачи данных GPRS является наложенной на сеть GSM, то не требуется кардинальной модернизации существующей сетевой GSM-инфраструктуры. Кратко рассмотрим обобщенную структурную схему и функциональное назначение базовых элементов сети GPRS (рис.1.3).

Сервисный узел поддержки GPRS (Serving GPRS Support Node, SGSN) выполняет функции обработки пакетных сообщений и преобразования кадров GSM в форматы, используемые протоколом ТСР/IP*. Во время процесса управления доступом к сети узел SGSN принимает участие в процедурах аутентификации абонентов, шифровании сообщений, ведет базу данных обслуживаемых пакетной сетью абонентов. Сервисный узел поддержки отвечает также за коммутацию входящего трафика к подсистеме BSS и исходящего к сетевым элементам, которые устанавливают связь с внешними сетями пакетной передачи (PDN). SGSN находится на одном логическом уровне с коммутатором и выполняет аналогичные задачи: отслеживает местоположение мобильных станций и осуществляет взаимодействие с ними.

Шлюзовый узел поддержки GPRS (Gateway GPRS Support Node, GGSN) является новым сетевым элементом, служащим для взаимодействия между внешними сетями передачи данных (Интернет, Интранет и др.), поддерживающими протоколы IP, Х.25. GGSN преобразует пакеты, поступающие от SGSN, в формат протокола IP или Х.25 и передает их в соответствующую сеть. С точки зрения внешней сети шлюзовый узел поддержки GPRS выглядит как некая «диспетчерская станция», владеющая адресами всех IP-абонентов, обслуживаемых GPRS.

            Сервисный и шлюзовый узлы могут взаимодействовать друг с другом, используя IP-маршрутизаторы. Обмен пакетами данных между ними осуществляется по магистральной линии с использованием туннельного протокола (GPRS Tunnel Protocol, GTP).

В функции блока управления пакетами (Packet Control Unit, PCU) входят: управление доступом к каналам, их объединение, а также сегментация и восстановление пакетов.

Таким образом, GPRS — это технология, позволяющая передавать через элементы сети GSM данные с пакетной коммутацией (Packet Switching, PS).

            Теоретически GPRS позволяет выделить одному пользователю все восемь тайм-слотов ТОМА-кадра на одной несущей, обеспечивая максимальную скорость передачи данных 171,2 кбит/с при схеме кодирования СS4. Однако с учетом передачи управляющих протокольных блоков данных и избыточности кодов с коррекцией ошибок реальная максимальная скорость передачи данных составит 115,2 кбит/с (14,4 кбит/с на канал).

1.2.2. Технология EDGE

Следующим шагом развития сетей пакетной передачи является технология EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution), повышающая скорость передачи данных в сетях GSM/GPRS до 384 кбит/с. Технология EDGE была предложена организацией, разрабатывающей стандарты, спецификации, технические требования для сотовых сетей связи третьего поколения (Third Generation Partnership Project, 3GPP), в рамках проекта 3GPP-GERAN (GSM, EDGE, Radio Access Network). Сети GSM, включающие технологии GPRS и EDGE, называют сетями 2,5G.

Увеличение скорости передачи данных в технологии EDGE обеспечивается за счет применения восьмипозиционной фазовой манипуляции 8-PSK (8 Phase Shift Keying), в которой трем битам данных (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111) при передаче по радиоканалу соответствует одно из восьми значений фазы несущей (рис.1.4). Для сравнения, при гауссовской манипуляции с минимальным частотным сдвигом (Gaussian Minimum Shift Keying, GMSK) в GSM/GPRS- системе одному биту данных ставится в соответствие одно значение номинала частоты при определенном их разносе.

Как было отмечено ранее, в технологии GPRS определены-

 четыре схемы кодирования СS1...СS4. Аналогично определены схемы кодирования с соответствующими скоростями передачи данных для технологии EDGE, использующие модуляцию 8-PSK. В EDGE используется адаптивная модуляция с коммутацией пакетов, при этом применяются девять уровней кодирования от МСS1 до МСS9 с различными характеристиками помехоустойчивости (рис. 1.5). Смена режима кодирования происходит каждый раз после того, как предыдущий блок принят с низкой достоверностью.

Из рис. 1.5 видно, что в EDGE при использовании модуляции 8-PSK минимальная скорость передачи информации составляет 22,4 кбит/с (схема МСS-5) и превосходит максимальную скорость в GPRS, равную 21,4 кбит/с (схема СS-4).

            Следует заметить, что схемы кодирования GPRS CS1...CS4 (GMSK) отличаются от используемых в EDGE схем MCS-1...MCS-4 (GMSK). В EDGE реализован метод на основе повышенной избыточности кода, когда искаженный блок запоминается и в дальнейшем сравнивается с повторно принятым блоком (в GPRS искаженный блок удаляется).

Глава 2

Система сотовой связи UMTS

            В связи с широким распространением сети Интернет весьма актуальной проблемой является обеспечение подключения к сети «в любое время, в любом месте». Этот ключевой фактор будет главным стимулом развития телекоммуникационной индустрии на ближайшие годы. Сегодня одна из систем, решающих эту задачу, — универсальная система мобильной связи (Universal Mobile Telecommunication System, UMTS) — создана для обеспечения взаимодействия с Интернетом, при этом обеспечивается взаимодействие с действующими сетями поколения 2,5G.

            К наиболее существенным аспектам UMTS относится достижение групповой скорости передачи данных до 2 Мбит/с в малой зоне обслуживания. В табл. 2.1 приведены основные сравнительные характеристики радиоинтерфейсов UMTS (WCDMA*) и GSM.

В соответствии со спецификациями 36РР стандарт UMTS прошел несколько фаз развития (Releases): Release 99, Release 4, Release 5, Release 6, Release 7. Главным требованием к каждой последующей стадии эволюции от сетей второго поколения к сетям третьего поколения является полная совместимость структурных элементов сети. В данной главе дается обзор архитектуры системы UMTS Release 99, Release 4 и основных ее компонентов.

2.1. Структурная схема и состав оборудования UMTS

            Элементы сети UMTS могут группироваться на основе подсети, к которой они принадлежат, или на основе идентичности выполняемых функций. По своим функциям элементы сети группируются в сеть радиодоступа (Radio Access Network, RAN или UMTS территориального уровня — UTRAN), управляющую всеми функциями, относящимися к радиосвязи, и в базовую сеть (Core Network, CN), обеспечивающую коммутацию и маршрутизацию вызовов и каналов передачи данных во внешние сети. Также определяется оборудование пользователя (User Equipment, UE), которое посредством нового радиоинтерфейса Uu взаимодействует с UTRAN (рис. 2.1).

            К основным характеристикам UMTS, в свое время определившим требования к архитектуре, функциям и протоколам, относятся:

            — повышение унификации про обработке данных с коммутацией пакетов (PS) и с коммутацией каналов (CS) при использовании уникального пакета протоколов радиоинтерфейса и одного и того же интерфейса для соединения UTRAN

с областями обслуживания (доменами) как PS так и CS базовой сети;

            — максимизация, по возможности, совместимости с GSM;

            — использование транспортного протокола А ТМ в качестве основного транспортного механизма в UTRAN.

            Стандарты UMTS построены таким образом, что функции внутри элементов сети подробно не определяются. Вместо этого определены открытые интерфейсы между логическими элементами сети:

            — интерфейс Си — электрический интерфейс между интеллектуальной платой (смарт-картой) USIM (модуля идентификации абонента сети UMTS) и МЕ;

            — интерфейс UU — радиоинтерфейс WCDMA, через который UE получает доступ к стационарной части системы и поэтому, возможно, самый важный интерфейс в UMTS;

            — интерфейс /и соединяет UTRAN с базовой сетью. Аналогично соответствующим интерфейсам в GSM, А (для коммутации каналов) и Gb (для коммутации пакетов), открытый интерфейс /lи дает операторам UMTS возможность производить закупку UTRAN и CN у разных производителей;

            — интерфейс lur позволяет осуществлять мягкий хэндовер между RNC различных производителей и дополняет открытый интерфейс /lи;

            — интерфейс /lub соединяет Node В и RNC. UMTS является первой коммерческой системой мобильной телефонной связи, где интерфейс «контроллер — базовая станция» стандартизован как полностью открытый интерфейс. Ожидается, что подобно другим открытым интерфейсам, открытый интерфейс lub будет стимулировать конкуренцию между производителями оборудования в этой области.

Остановимся более подробно на функциональных характеристиках и элементах сети UTRAN (рис. 2.2).

            Сеть UTRAN включает одну или несколько подсистем радиосети (Radio Network Subsystem, RNS), состоящих из конроллера радиосети (RNC) и одного или нескольких узлов В (Node В). Контроллер обеспечивает управление радиоресурсами UTRAN, сопрягается с базовой сетью (обычно с одним MSC и одним SGSN), а также реализует протокол управления радиоресурсами  (RRC), который определяет сообщения и процедуры между мобильной станцией и UTRAN. Логически он соответствует контроллеру базовых станций (ВSС) в GSM. Контроллеры радиосети могут соединяться друг с другом через интерфейс lur, а с Моде В— с помощью интерфейса /lиb.

Node В преобразует поток данных между интерфейсом lub и радиоинтерфейсом Uu. Основная функция Node В — осуществление обработки на уровне L1 на радиоинтерфейсе (канальное кодирование и перемежение, адаптация скорости, расширение спектра и т.д). Также Node В выполняет одну из основных операций по управлению радиоресурсами — управление мощностью во внутреннем контуре.

2.2. Архитектура сети UMTS/Release 99

Release 99 (R99) представляет собой первый этап в развитии UMTS (рис. 2.3). Главным изменением, по сравнению с системой GSM, является новый тип радиоинтерфейса (WCDMA), сопряжение которого обеспечивается подсистемой UTRAN. Основное требование к R99 — минимизация влияния базовой сети (Core Network) при включении UTRAN. К функциям UTRAN относятся шифрование/дешифрование радиоканала, процедуры хэндовера, функции установления и разрыва соединений, управление мощностью и т.п.

UMTS R99 включает два домена поддержки сетей с коммутацией каналов (СS) и коммутацией пакетов (PS). Примером сетей с коммутацией каналов в настоящее время служит сеть телефонной связи общего пользования (ТфОП), а сеть Интернет — пример сети с коммутацией пакетов.

К главным проблемам в UMTS/Release 99 относятся следующие:

1) не реализован GSM/UMTS хэндовер в домене пакетной коммутации;

2) не реализованы функции межсетевого (между разными UMTS-сетями) и межсистемного (между сетью GSM и сетью UMTS) роуминга, а также между UMTS-сетями различных фаз развития.

2.3. Архитектура сети UMTS/Release 4

            Следующей фазой развития системы UMTS является Release 4 (R4), где функции установления и контроля соединения, за которые ранее отвечал мобильный центр коммутации, разделены между двумя устройствами (рис. 2.4). Данные абонентов передаются через медиа-шлюз (Media Gateway, MGW) — новый элемент в опорной сети, а контроль соединения осуществляется сервером коммутации (MSC Server). шлюзовый мобильный центр коммутации (Gateway МSС, GMSC) также был разделен на GMSC-сервер (GMSC Server) и медиа-шлюз (Circuit Switched Media Gateway, CS- MGW). Благодаря данным изменениям домен коммутации каналов становится легко масштабируемым: если требуется дополнительная коммутационная емкость, необходимо добавить MGW-элементы; в том случае, если требуется дополнительная управляющая емкость, следует добавить сервер коммутации. Один MSC-сервер может контролировать несколько медиа-шлюзов.

2.4 Дальнейшее развитие системы UMTS:

Release 5 — Release 7

UMTS/Release 5

Основные изменения в UMTS/R5 касаются домена коммутации пакетов. Домен коммутации каналов базовой сети может быть взят от MSC/GMSC Release99 или MSC-server/MGW из архитектуры Release 4.

В домене коммутации пакетов базовой сети Release 5 осуществлены следующие изменения:

            — создан новый домен базовой сети — подсистема мультимедийной поддержки сети Интернет (Internet Multimedia core network Subsystem, IMS), — к основным функциям которого относится установление и контроль радиосоединения, поддержка роуминга и возможность использования протокола 1Рv6;

            — усовершенствован шлюзовый узел поддержки GPRS для обеспечения услуг, чувствительных к задержке сигнала (передача видео, голосовых услуг высокого качества).

Release 5 является IP-сетью и позволяет оператору мобильной связи предоставить ряд новых услуг: мультимедиа конференции, сетевые игры, интерактивные приложения и услуги, связанные с определением местоположения пользователя. Например, если абонент сети UMTS/Release 5 устанавливает сеанс видео- конференции с другим абонентом, находящимся в пределах зоны обслуживания сети UMTS/Release 99. В этом случае подсистема мультимедийной поддержки Интернета должна обеспечить сетевую функциональность для обоих абонентов, а именно: определить типы кодеков и скорость передачи информации, а также создать файлы, необходимые для тарификации услуг (Call Detail Records, CDR).

UMTS/Release 6

Release 6 не вносит существенных изменений в архитектуру сети и в основном направлен на повышение емкости и улучшение качества услуг сети UMTS. Кроме того, в подсистему мультимедийной поддержки сети Интернет добавятся дополнительные функции: распознавание речи, взаимодействие сетей Wi-Fi/UMTS, оптимизация радиосети и др.

UMTS/Release 7

            Содержание и сроки реализации Release 7 еще формально не определены и существует лишь общее видение предполагаемых дополнений:

            — в целях повышения спектральной эффективности планируется применение интеллектуальных антенн (Multiple-Input Multiple-Output, MIMO);

Глава 3

Основные принципы определения местоположения

 абонентов в GSM и UMTS

3.1. Структурная схема системы сотовой связи с функциями определения местоположения абонентов

Структурная схема системы сотовой связи с функциями определения местоположения абонентов и предоставления услуг, связанных с местоположением, приведена на рис. 3.1.

Как видно из рисунка, информация о местоположении может быть получена как от спутниковых систем навигации, так и от существующей (или расширенной измерительными модулями) инфраструктуры сети сотовой связи.

Ядром системы определения местоположения (СОМ) абонентов является сервер системы определения местоположения, обеспечивающий взаимодействие абонентских устройств с элементами сети.

            На рис. 3.2 показана логическая модель системы определения местоположения для сетей сотовой связи GSM, предложенная Партнерством 3GPP (организацией, разрабатывающей спецификации и технические требования сетей GSM и UMTS). Практически без изменений эта модель рекомендована для сетей UMTS. Клиент* СОМ запрашивает информацию о местоположении одной или нескольких мобильных станций у сервера системы определения местоположения. Сервер включает функцию определения местоположения, обрабатывает полученную информацию о местоположении и передает ее абоненту. Сервер должен определять местоположение мобильной станции с заданным качеством обслуживания, причем в любой момент, пока станция подключена к наземной сети сотовой связи (Public Land Mobile Network, PLMN). Ответ на запрос об определении местоположения должен передаваться в строго определенном стандартном формате.

Клиент СОМ — чисто логическое понятие. Он может располагаться как внутри наземной сети сотовой связи (например, мобильный абонент), так и вне ее.

            Сервер СОМ состоит из нескольких модулей, объединенных различными интерфейсами, необходимых для обслуживания.

            СОМ-клиентов. Сервер служит платформой, обеспечивающей поддержку функции определения местоположения параллельно с другими функциями сети, он должен выполнять функцию авторизации СОМ-клиентов.

            В зависимости от применяемой технологии определения местоположения мобильная станция может не содержать специальной поддержки функций определения местоположения. Однако для обеспечения сохранности личной тайны абонента и управления доступом к информации о местоположении мобильная станция, как правило, оказывается вовлеченной в процесс определения местоположения.

            Более детально модель взаимодействия клиента и сервера системы определения местоположения представлена на рис. 3.3.

            Для описания функций, доступных для клиента системы определения местоположения, вводится понятие клиентской функции определения местоположения (Location Client Function, LCF). Эта функция отвечает за взаимодействие клиентского программного обеспечения с сервером определения местоположения по стандартному интерфейсу.

            В сетях UMTS выделяют внешние и внутренние по отношению к сети доступа клиентские функции определения местоположения. Логика работы внутрисетевых функций отличается прежде всего тем, что они ориентированы на поддержку особых вариантов обеспечения непрерывности связи (хэндовера). Внутрисетевые функции взаимодействуют с функцией управления системой определения местоположения (см. далее) в рамках одной сети доступа, например UTRAN, по стандартному интерфейсу и согласно спецификациям данной сети доступа.

            Логическая модель СОМ-сервера состоит из четырех подсистем:

            — подсистемы поддержки клиентов;

            — подсистемы поддержки системы определения местоположения;

            — подсистемы поддержки подписчиков на услуги определения местоположения;

            — подсистемы определения местоположения абонентов.

3.1.1. Подсистема поддержки клиентов

            Подсистема поддержки клиентов содержит: — функцию управления клиентами (Location Client Control Function, LCCF);

 — функцию авторизации клиентов (Location Client Authorization Function, LCAF);

            — функцию преобразования систем координат (Location Client Coordinate Transformation Function, LCCTF).

            Функция управления клиентами (LCCF) обеспечивает внешний интерфейс с функцией определения местоположения, осуществляет верификацию и авторизацию клиентов посредством вызова функции авторизации, проверяет полученный результат определения местоположения на соответствие заявленным требованиям качества обслуживания, управляет потоком принимаемых запросов, при необходимости вызывает функцию преобразования

системы координат (LCCTF), полученных в процессе измерений, в затребованную COM-клиентом систему координат.

3.1.2. Подсистема поддержки системы

         определения местоположения

            Подсистема поддержки системы определения местоположения реализует функцию управления системой определения местоположения (Location System Control Function, LSCF), а именно: определяет поддерживаемую мобильной станцией технологию определения местоположения; выделяет необходимые для обработки запроса ресурсы сети; осуществляет вызов мобильной станции, если это необходимо, например, для определения времени распространения сигнала до мобильной станции; направляет запросы в подсистему определения местоположения; вызывает функцию биллинга (Location System Billing Function, LSBF), которая отвечает за сбор и формирование записей, необходимых для выставления счетов клиентам; направляет результаты обработки запросов функции управления клиентами в подсистему поддержки клиентов.

            В сетях UMTS в рамках сети доступа присутствует собственная внутренняя реализация функции управления системой определения местоположения (U-LSCF). Эта функция «изолирует» клиентов системы определения местоположения опорной сети от специфики процесса определения местоположения в сети доступа.

            Кроме перечисленных функций, подсистема поддержки определения местоположения содержит функцию технической поддержки (Location System Operations Function, LSOF). Эта функция используется всеми подсистемами сервера определения место- положения для обработки ошибок, возможных аварийных ситуаций, а также предоставляет интерфейс для управления базами данных подписки на услуги, доступом к услугам формирования статистики, контроля характеристик и рабочих параметров системы определения местоположения. В спецификациях UMTS предполагается перенести задачи функции технической поддержки на компоненты существующей в сети подсистемы эксплуатации и технического обслуживания (Operation & Maintenance, O& М).

            К подсистеме поддержки системы определения местоположения относят также функцию управления измерительными модулями (LMU Mobility Management Function, LMMF) и функцию поддержки широковещательного распространения вспомогательных данных (Location System Broadcast Function, LSBrF), необходимых, например, для технологий Е-OTD и А-GPS, которые будут рассмотрены далее.

3.1.3. Подсистема поддержки подписчиков

на услуги определения местоположения

Подсистема поддержки подписчиков на услуги определения местоположения содержит функцию авторизации подписчиков (Location System Authorization Function, LSAF) и функцию обеспечения конфиденциальности (Location System Privacy Function, LSPF). За- дача этих функций — проверка возможности предоставления информации о местоположении для конкретного абонента, идентифицируемого посредством модуля SIM/U-SIM. Если функция определения местоположения выполняется в мобильном терминале, то задача сводится к проверке того, подписан ли данный абонент на услугу определения местоположения соответствующего типа.

3.1.4. Подсистема определения

местоположения абонентов

            Подсистема определения местоположения абонентов COM-сервера в сетях GSM обеспечивает функцию определения местоположения в радиоподсистеме (Positioning Radio Coordinating Function, PRCF). Она отвечает за общую координацию и выделение ресурсов радиоподсистемы для проведения измерений, определяет технологию определения местоположения с учетом затребованного качества обслуживания, вызывает функцию измерения параметров сигнала при определении местоположения (Positioning Signal Measurement Function, PSMF), передает результаты измерений функции вычисления местоположения (Position Calculation Function, PCF). Когда в процессе определения местоположения необходимо взаимодействие множества различных элементов сети, активируется вспомогательная функция радиоподсистемы про определении местоположения (Positioning Radio Assistance Function, PRAF).

В сетях UMTS подсистема определения местоположения, хотя и имеет сходное устройство и логику работы с GSM, но реализуется иначе. Это связано с разделением в сетях UMTS опорной сети и сети доступа. В UMTS в каждой сети доступа должна быть своя реализация подсистемы определения местоположения. Все виды сетей доступа посредством собственных подсистем определения местоположения в прозрачном для системы определения местоположения режиме обрабатывают запросы и передают обтно географические координаты терминала пользователя.

            Основные информационные потоки в системе определения местоположения — это потоки запросов и потоки результатов определения местоположения. Запрос содержит следующую информацию:

            — идентификатор мобильной станции;

— идентификатор клиента определения местоположения;

— набранный клиентом номер (если запрос связан со звонком, например, в службу спасения);

            — требуемое качество обслуживания;

— тип запрашиваемого местоположения, например, текущее или последнее известное;

            — приоритет запроса;

— тип используемой СОМ-клиентом системы координат. Запросы могут требовать немедленного, отложенного или периодического отклика. Помимо собственно информации о местоположении мобильной станции результат определения местоположения может также содержать те же поля, что и запрос.

3.2. Определение местоположения в GSM

В рамках сети GSM система определения местоположения логически реализуется в виде центра определения местоположения (Mobile Location Center, MLC), а точнее, в виде двух компонент: сервисного центра определения местоположения (Serving MLC, SMLC) и шлюзового центра определения местоположения (Gateway MLC, GMLC). Структурная схема сети GSM с поддержкой функции определения местоположения приведена на рис. 3.4.

Шлюзовый центр определения местоположения (GMLC) выполняет функции описанной ранее подсистемы поддержки клиентов системы определения местоположения. В одной PLMN может быть более одного шлюзового центра определения местоположения, каждый из которых может обращаться за информацией о маршрутизации вызовов к домашнему регистру. После авторизации абонентов шлюзовый центр GMLC направляет запросы определения местоположения на обслуживание в центр коммутации мобильной связи.

Сервисный центр определения местоположения (SMLC) выполняет функции остальных подсистем сервера определения местоположения, т.е. обрабатывает сообщения о местоположении и на базе используемой системы координат (например, декартовой), осуществляет окончательный расчет координат и точности полученного результата. В сетях GSM возможно два размещения SMLC: в составе радиоподсистемы базовых станций и в составе подсистемы коммутации (совмещен с МSС). Для получения необходимых для измерений данных SMLC обращается к стационарным измерительным модулям (Line Measurement Unit, LMU). Последние могут быть двух типов: типа А — подключаются по радиоканалу, а типа В — по Abis-интерфейсу (такие LMU могут также совмещаться с контроллером базовых станций).

            Информация из сервисного центра SMLC поступает в шлюзовый центр GMLC, который является защищенным граничным пунктом для внешних модулей, запрашивающих данные о место- положении конкретного абонента. GMLC не только обеспечивает связь с внешним миром, но и предоставляет данные о местоположении, определяя не идентификационный номер (ID) устройства, а абонента. Поэтому он взаимодействует с домашним регистром (HLR), хранящим данные о пользователях, исходя из которых ID устройства ассоциируется с 10 абонента. Это необходимо потому, что в сотовой сети устройство идентифицируется не по телефонному номеру, а по международному идентификационному номеру мобильного абонента (IMSI). Таким образом, запрашивая местоположение мобильного абонента, внешний пользователь, скорее всего, будет использовать телефонный номер, после чего требуется его преобразование в IMSI.

Шлюзовый центр представляет информацию в нескольких форматах. Решение, предоставлять услуги определения местоположения третьей стороне или нет, принимает оператор, что требует выполнения ряда служебных функций, таких как: аутентификация, ведение счетов, контроль за оплатой и т.д.

Сервисный и шлюзовый центры могут быть физически совмещены с некоторым существующим элементом сети (например, с МSС), а также выполняться в отдельном модуле.

            Узел поддержки GPRS (SGSN) также может быть задействован при определении местоположения в сетях GSM для осуществления вызова мобильной станции. Для того, чтобы определить, как взаимодействовать с мобильной станцией (по А- или по Gs-интерфейсу) МSС по Gs-интерфейсу запрашивает у SGSN, подключена ли в данный момент мобильная станция к системе GPRS. Показанный на рис. 3.4 модуль gsmSCF предназначен для приема запросов и передачи данных о местоположении пользовательским приложениям усовершенствованной логики мобильных сетей связи (Customized Application Mobile Enhanced Logic, CAMEL), которые являются одним из компонентов 3G-сетей. Центр сотового широковещания (Cell Broadcast Centre, СВС) может быть использован для распространения вспомогательных данных, необходимых для работы некоторых методов определения местоположения.

Из схемы на рис. 3.4 видно, что для взаимодействия с элементами сети GSM используются следующие интерфейсы:

            — Lg: между GMLC и MSC;

— Lс: между GMLC и gsmSCF;

            — Ls: между SMLC и MSC;

— Le: между GMLC и внешними клиентами системы определения местоположения;

— Lh: для взаимодействия GMLC c HLR.

На рисунке не показан интерфейс Lp, используемый при необходимости для взаимодействия двух SMLC. В качестве протокола физического уровня для реализации перечисленных интерфейсов используется система сигнализации №7. На более высоких уровнях применяются протоколы подсистемы передачи сообщений (Message Transfer РаИ, МТР) и протокол дополнительного сервисного контроля (Supplementary Service Control Protocol, SSCP). На уровне приложений используется модифицированный вариант протокола прикладной части подсистемы базовых станций (Base Station System Application Part, BSSAP).

Распределение описанных выше функций клиента и сервера определения местоположения по элементам структурной схемы сети GSM отражено в табл. 3.1. Как видно из таблицы, многие функции могут реализовываться различными элементами сети. Это зависит от применяемой технологии определения местоположения и выбранного варианта размещения сервисного центра SMLC.

3.3. Определение местоположения в UMTS

Как отмечалось выше, отличия в архитектуре системы определения местоположения сетей GSM и сетей UMTS обусловлены более выраженным в UMTS разделением опорной сети (Core Net- work) и сети доступа (Access Network), а также принципиальной возможностью различных реализаций сетей доступа.

При реализации систем определения местоположения в сетях UMTS более остро встает проблема дефицита информации о местоположении мобильной станции. Предполагается, что многие сети UMTS не будут (особенно на первом этапе развития) обеспечивать большие зоны покрытия, поэтому для определения место- положения предполагается использовать все доступные сигналы сети доступа, обслуживающей мобильную станцию, а также сигналы других доступных для мобильной станции сетей, в том числе и не UMTS. Например, если мобильная станция может работать в сети GSM, измерения сигналов сети GSM могут быть использованы для дополнения результатов радиоизмерений в UTRAN. Операторы действующих в одном районе сетей UMTS также могут заключать соглашения по обмену необходимой для определения местоположения информацией.

По этим причинам реализация ряда функций системы определения местоположения в UMTS должна быть перенесена в другие элементы сети. Структурная схема сети UMTS с поддержкой функций определения местоположения приведена на рис. 3.5, где показано взаимодействие клиентов и серверов определения местоположения опорной сети с сетью доступа. Принципиальным отличием от структуры сети GSM является окончательное закрепление функций сервисного центра определения местоположения (SMLC) за контроллером радиосети (Radio Network Controller, RNC) — аналогом контроллера базовой станции ВSС в сети GSM. Кроме того, GMLC функционально более четко выделен в отдельный модуль. Предполагается, что он будет и физически отделен от остальных компонентов опорной сети. На рис. 3.5 также показано, что GMLC других сетей мобильной связи могут обращаться к сервисному узлу поддержки услуг GPRS (3G-SGSN) за необходимой для определения местоположения информацией.

Взаимодействие компонентов системы определения местоположения опорной сети UMTS с компонентами сети доступа осуществляется по интерфейсу lи. Взаимодействие компонентов СОМ, связанных с контроллером радиосети, мобильными станциями и с LMU типа А происходит по радиоинтерфейсу  Uu. Для обеспечения взаимодействия GMLC и SMLC с другими элементами сетей UMTS партнерский проект 3GPP рекомендует применение тех же интерфейсов, что и в сетях GSM.

В табл. 3.2 показано распределение функций системы определения местоположения по элементам сети UMTS с сетью UTRAN в качестве сети доступа. Как видно, функции собственно определения местоположения (в частности, PCF) расположены в пользовательском терминале и в сети доступа. Опорная сеть отвечает за функции авторизации, биллинга и управления процессом определения местоположения.

Глава 4

Технологии определения местоположения

 абонентов в системах сотовой связи

4.1. Классификация технологий

определения местоположения

            Рассмотренные в гл. 3 принципы определения местоположения абонентов в системах сотовой связи определяют две функции, которые непосредственно касаются самого процесса получения координат: функцию измерения параметров сигнала при определении местоположения (уровень сигнала, время приема сигнала) PSMF и функцию вычисления координат местоположения PCF.

            Многочисленные технологии, предлагаемые отдельными компаниями для реализации этих функций, представленные к стандартизации, в общем можно классифицировать по тому, где измеряются параметры сигнала и определяется местоположение абонента. Выделяют следующие категории технологий определения местоположения (рис. 4.1).

            На основе мобильной станции (MS-based): MS измеряет уровень сигнала и определяет местоположение независимо от сотовой сети. К числу технологий определения местоположения на базе MS относится измерение координат с помощью спутниковых навигационных систем (GPS, ГЛОНАСС) или технология А-GPS* (Assisted GPS). Причем, в случае А-GPS вспомогательные данные (дифференциальные поправки) могут поступать не через сеть сотовой связи, а через отдельные, вспомогательные передатчики сигналов GPS, установленные в зоне действия сотовой сети. Например, информация может передаваться вместе с данными в ансамбле сигналов цифрового аудиовещания DAB (Digital Audio Broadcasting).

            С поддержкой данных cemu (Network-assisted): процесс определения местоположения происходит главным образом в MS, однако MS получает поддержку от сети. Примером может служить технология А-GPS, в том случае, когда от эталонного навигационного приемника на терминал через внешнюю наземную сеть поступают уточненные данные, позволяющие терминалу значительно повысить результаты измерений от созвездия спутников GPS. Другим примером служит технология определения наблюдаемой разности времени приема сигналов OTDoA (Observed Типе Difference of Arrival): сеть передает мобильной станции необходимую информацию о задержках сигналов для вычисления данных местоположения.

            С поддержкой мобильной станции (MS-assisted): MS измеряет уровни принимаемых от BTS сигналов, а сеть определяет местоположение, например, с помощью усовершенствованной технологии измерения наблюдаемой разности времени приема сигналов Е-OTD (Enhanced Observed Типе Difference) для систем GSM или указанной технологии OTDoA для UMTS.

            На базе сети (Network-based): сеть выполняет все функции, связанные с определением местоположения. Наиболее известным примером является технология идентификации соты (Cell ID), для которой не требуется определения параметров сигналов, так как это является внутренним свойством сетей мобильной связи. Точность определения местоположения уменьшается с увеличением радиуса сот с нескольких сот метров до нескольких кило- метров. Повысить точность определения в этом случае можно с помощью секторных антенн. Некоторые услуги, основанные на данных о местоположении, например, выписка счетов в различных тарифных зонах, уже реализованы с помощью технологии идентификации соты. Другим примером технологий определения местоположения на базе сети является технология определения времени поступления сигналов (Time of Arrival, ТоА), согласно ко- торой на трех базовых станциях измеряется время поступления сигналов доступа от одной мобильной станции.

Имеется множество способов определения местоположения мобильных станций, многие из которых позволяют определить местоположение абонента с высокой точностью. Некоторые технологии требуют усложнения конструкции MS и изменения программного обеспечения в них, а также в системе базовых станций. Внедрение других технологий больше влияет на инфраструктуру сети. Наличие ряда технологий определения местоположения вряд ли может способствовать расширению рынка услуг на их основе. Несмотря на то, что описанная выше архитектура систем определения местоположения мобильной станции предусматривает применение всего многообразия существующих технологий, в качестве ключевых технологий для сетей GSM приняты следующие: Cell ID-TA, ToA, Е-OTD, А-GPS. Выбор технологии измерения координат MS для сетей UMTS зависит от используемой сети радиодоступа. Для UTRAN применяется Cell ID-TA, OTDoA, А-GPS.

4.2. Технология идентификации соты с определением времени распространения сигнала (Cell ID-ТА)

Наиболее простой в реализации технологией определения местоположения в сетях сотовой связи является технология идентификации соты (Cell ID). В ней местоположение абонента определяется по зоне действия базовой станции, в которой он находится.

Однако погрешность определения координат абонента в данном случае соизмерима с размерами соты (ячейки). Например, в пикосотах она может достигать 150 м, а в макросотах — 20 км. Более высокую точность определения местоположения мобильной станции в ячейке обеспечивает технология Cell ID-ТА (Timing Advance), основанная на определении величины задержки распространения сигнала (Timing Advance, ТА) от базовой станции до мобильной в пределах ячейки. Для определения ТА в режиме ожидания система определения местоположения инициирует пейджинг мобильной станции (своеобразный незаметный абоненту вызов), в результате сеть получает идентификатор BTS и значение величины задержки ТА. Точность определения зависит от топологии радиосети. Кроме того, параметр ТА дискретный и позволяет определить путь прохождения сигнала с точностью, не превышающей примерно 500 м.

В сети доступа UTRAN данная технология также может использоваться с некоторыми изменениями. Идентификатор Node В, в зоне которого находится MS (UE), можно определить с помощью пейджинга и других процедур UTRAN. Вместо ТА в сетях UTRAN доступен целый ряд параметров:

— разница между временем приема сигнала и реальным временем (Real Типе Difference, RTD);

            — отклонение времени приема (Rx Timing Deviation, RxTD);

— задержка времени распространения сигнала от абонентского оборудования (User Equipment Timing Advance, UETA).

4.3. Технология определения местоположения

на основе вычисления времени распространения сигнала по линии «вверх» (ТоА)

Эта технология содержится в технических спецификациях на системы определения местоположения в GSM. Теоретически она применима также и в UTRAN, но разработчиками стандарта не рекомендована.

Определение местоположения на основе вычисления времени распространения сигнала по линии «вверх» (Time of Arrival, ТоА) осуществляется путем измерения времени приема эталонного сигнала, переданного мобильной станцией, одновременно тремя измерительными модулями (LMU) или более. Эталонный сигнал — это пакеты доступа, формируемые при выполнении мобильной станцией асинхронного хэндовера. Технология определения местоположения ТоА может применяться для используемых сегодня мобильных станций без их модернизации.

            В этом случае сервисный центр определения местоположения (SMLC) вычисляет задержку распространения сигналов от мобильной до базовой станции и, основываясь на факте, что время распространения сигнала прямо пропорционально расстоянию, находит расстояние между MS и BTS путем перемножения задержки и скорости распространения электромагнитных волн. Местоположение мобильной станции вычисляется методом гиперболической триангуляции, на котором также основана работа систем спутниковой навигации. Этот метод осуществим, когда известны:

            — географические координаты измерительных устройств (LMU); — временные задержки сигналов как минимум трех стационарных измерительных модулей LMU, участвующих в процессе определения местоположения, которые рассчитываются, например, на основе эталонного времени.

            При поступлении запроса на процедуру определения место- положения определяются BTS (точнее измерительные модули LMU), которые должны регистрировать время приема (ТоА) пакетов (сигналов) мобильной станции. После этого для мобильной станции принудительно запрашивается асинхронный хэндовер. В таких условиях MS передает до 70 пакетов доступа (320 мс) с заданным уровнем мощности в рабочем канале (в котором так- же может применяться скачкообразная перестройка частоты SFH, предусмотренная в GSM). Временная задержка распространения сигналов MS определяется в каждом LMU исходя из накопленных отсчетов о времени приема поступивших пакетов, с целью повысить вероятность обнаружения сигнала и точность измерений. Кроме того, применяется технология подавления многолучевости, обеспечивающая более точное измерение времени приема сигнала прямого распространения. Использование методов разнесенного приема (например, пространственного разнесения антенн, скачкообразной перестройки частоты несущей) позволяет повысить точность измерений.

            Когда требуется определить местоположение абонента, в сервисный центр SMLC посылается запрос с идентификацией MS и требуемым уровнем точности измерений, в зависимости от которого SMLC определяет количество измерительных модулей, задействованных в процессе нахождения местоположения. Результаты измерений ТоА и параметр точности совместно передаются в SMLC. Последний вычисляет местоположение мобильной станции на основе результатов измерений ТоА с учетом известных ко- ординат измерительных модулей и задержки между временем приема сигнала и реальным временем (Real Типе Difference, RTD).

            Есть несколько вариантов реализации данной технологии определения местоположения. Например, LMU могут интегрироваться в базовые станции или устанавливаться автономно. В последнем случае для обмена сообщениями между измерительными модулями и сетью предпочтительно использовать радиоинтерфейс. На автономных модулях могут либо устанавливаться собственные антенны, либо применяться антенны уже действующих BTS.

            Аналогичная технология ОТоА (Observed Типе of Arrival — наблюдаемое время приема сигнала) применима и в сетях UTRAN. Причем, могут использоваться как сигналы по линии «вверх», так и сигналы по линии «вниз». Для работы необходимо существование в сети точного общего времени, чтобы четко фиксировать время излучения и время приема сигналов. Точность этой технологии на практике не высока, так как для получения точных координат MS (или UE) и LMU (или Node В) должны быть строго синхронизированы, однако в современных сетях, особенно функционирующих в режиме частотного разделения каналов, нет точной синхронизации. Выходом может служить применение синхронизации от упомянутых систем спутниковой навигации.

4.4. Усовершенствованная технология измерения

разности времени приема сигналов (Е-OTD)

Применяемая в сетях GSM технология определения местоположения Е-OTD (Enhanced Observed Типе Difference) основана на имеющейся у мобильной станции информации о наблюдаемой разности времени приема сигналов (Observed Time Difference, OTD) от нескольких базовых станций. Если мобильная и базовая станции синхронизированы, то мобильная измеряет относительное время приема сигналов от разных базовых станций, если не синхронизированы, то сигналы дополнительно принимаются стационарным измерительным модулем (LMU), координаты которого известны. Местоположение мобильной станции определяется путем вычисления геометрической составляющей задержки между временем приема сигналов мобильной станцией от не- скольких базовых.

 Мобильная станция производит измерения без дополнительного оборудования. Для синхронизации измерений OTD* могут использоваться стандартные и «пустые» пакеты. Если передаваемые от различных базовых станций сигналы не синхронизированы, то измерения действительного сдвига времени между ними выполняет сеть. Чтобы получить точную триангуляцию, необходимо измерить разность времени приема сигналов, а если базовые станции не синхронизированы, то и RTD**, ,по меньшей мере трех BTS, разнесенных в пространстве. С учетом результатов измерений OTD местоположение MS вычисляется либо сетью, либо самой MS, если у нее имеется вся необходимая для этого информация. Таким образом, при использовании технологии Е-OTD функция вычисления координат местоположения PCF может реализовываться как в мобильной станции, так и в сети.

 При той же архитектуре сотовой сети, функциях MS и LMU и результатах измерений функция вычисления PCF может основываться на двух возможных типах определений местоположения Е-OTD: «гиперболическом» и «круговом».

 При гиперболическом типе определения местоположения Е-OTD выделяются три основных временных показателя.

            1. Наблюдаемая разность времени приема сигналов (OTD), т.е. разница времени приема сигналов (пакетов) на MS от двух разных BTS. Мобильная станция принимает пакет от первой базовой станции ВТSО в момент времени t₁, а от второй базовой станции ВТS2 — в момент времени t₂,. Таким образом, разность времени приема пакетов в этом случае: OTD = t₂ — t₁. Если MS принимает два пакета одновременно, то OTD = 0.

            2. Относительная временная разница передачи сигналов от двух BTS (Relative Time Difference, RltTD). Если ВТSО передает пакет в момент времени t₃, а BTS2 — в момент времени t₄, то RltTD= t₄ — t₃. Если различные базовые станции BTS передают пакеты одновременно, это значит, что они синхронизированы и RltTD = 0.

 3. Геометрическая разница времени приема (Geometric Типе Difference, GTD), т.е. разность времени приема мобильной станцией пакетов от двух базовых станций. Если длина траектории распространения сигнала от BTS1 до MS составляет d₁, а от BTS2 до MS — d₂, то GTD = (d₂, — d₁)/c, где с — скорость распространения радиоволн. Если базовые станции расположены от мобильной на одинаковом расстоянии, то GTD = О.

Отношение между величинами OTD, RltTD и GTD можно вы- разить следующим выражением:

OTD = RltTD + GTD.

(4.1)

Величина OTD измеряется мобильной станцией, местоположение которой требуется определить; RltTD — параметр, относящийся к сети (ВТS); GTD зависит от геометрических параметров (местоположения MS и ВТS).

            Действительно важной для определения местоположения является геометрическая разница времени приема, так как в ней заключена информация о местоположении мобильной станции. Зная только разницу времени приема пакетов OTD, нельзя вычислить местоположение терминала, поэтому необходимо знать и относительную временную разницу RltTD. По измеренному значению OTD и известной или измеренной величине RltTD вычисляется геометрическая разница GTD. Если известна GTD для другой пары базовых станций (одна ВТS может быть общей для двух пар), местоположением мобильной станции может быть точка пересечения двух гипербол. Если известно больше двух геометрических разниц GTD, то можно сузить зону возможного местонахождения мобильной станции. На рис. 4.2, а пунктирными линиями обозначено полученное значение GTD, т.е. суммарное рас- стояние от мобильной станции до двух базовых. Результат измерений не является точным, поэтому серым цветом показана погрешность измерений для MS с учетом OTD. Черным цветом на пересечении гипербол выделено наиболее вероятное местоположение мобильной станции.

            При круговом типе определения координат MS и LMU на основе усовершенствованной технологии Е-OTD измеряют не разницу времени приема сигналов от двух базовых станций, а время приема сигнала от каждой базовой станции в отдельности.

При круговом типе Е-OTD выделяют пять величин:

            — время приема сигналов ВТS, измеряемое мобильной станцией (The Observed Time at the Mobile Station, МОТ). Эта величина определяется относительно «внутренних часов» MS;

— время приема сигналов ВТS, измеряемое стационарным измерительным модулем (The Observed Tnme at the LMU, LOT). Эта величина определяется относительно «внутренних часов» LMU. Как правило, между внутренними часами MS и LMU есть временной сдвиг τ;

            — геометрическое расстояние между мобильной и базовой станциями (Distance from MS to ВТS, DMB);

            — геометрическое расстояние между мобильной станцией и стационарным измерительным модулем (Distance from MS to LMU, DLB).

Отношение между этими величинами можно выразить следующим образом:

DMB — DLB = с (МОТ — LOT+ τ),

(4.2)

где с — скорость распространения электромагнитных волн.

Для каждой BTS имеется одно такое выражение. Так как есть три неизвестных величины (координаты MS х, у и временной сдвиг т), то для их определения требуется, по меньшей мере, три BTS, т.е. столько же, сколько и при гиперболическом типе Е-OTD.

Местоположение мобильной станции есть точка пересечения окружностей (в центре которых расположены базовые станции), на основе которых выполняют измерения как MS, так и LMU, поэтому этот вариант Е-OTD и называется «круговым» (рис. 4.2, б).

            Разница между гиперболическим и круговым типом технологии Е-OTD заключается в том, что при использовании первого приходится оперировать разностными величинами времени, а второго — абсолютными. Это влечет за собой отличие в отношении между погрешностью измерения и географическим местоположением MS относительно BTS. В остальном данные технологии идентичны.

Точность определения местоположения в усовершенствован- ной технологии Е-OTD зависит от ряда факторов:

            — точности измерения величин временных задержек распространения сигналов;

— взаимного расположения BTS и MS (обычно наилучшие показатели точности определения координат достигаются, когда расстояния между MS и BTS одинаковы, что оценивается геометрическим фактором снижения точности определения местоположения (Geometric Dilution of Precision, GDOP);

            — влияния эффекта многолучевого распространения радиоволн;

            — возможности MS принимать сигналы от достаточного количества BTS, для которых известны координаты и относительная временная разница передачи RItTD.

Как при гиперболическом, так и при круговом вариантах требуются как минимум три базовые станции, разнесенные в пространстве. Однако, чем больше базовых станций участвует в измерениях, тем выше точность определения местоположения. Для определения местоположения по усовершенствованной технологии Е-OTD требуется один LMU на три — пять базовых станций. Точность может быть также повышена за счет комбинирования технологии Е-OTD с описанной выше технологией идентификации соты Cell ID-ТА. Особенно это относится к случаю применения в сети базовых станций секторного типа.

Технология Е-OTD применима для периодического определения местоположения мобильной станции, находящейся как в ре- жиме ожидания, так и в режиме соединения. Для последнего варианта более приемлема реализация функции вычислений PCF на MS, так как при такой реализации сигнализации по линии «вверх» не требуется вообще. Координаты базовой станции и величина сдвига относительно реального времени могут передаваться с помощью технологии Cell Broadcast.

            Существует несколько версий Е-OTD, в большинстве из которых для достижения базового метода триангуляции используется разность измерений и других параметров в сети. Точность большинства этих систем повышается с увеличением числа доступных фиксированных эталонных модулей, которые показывают любое искажение измерений, выполненных мобильной станцией. Измерительный модуль можно отнести к подобным модулям и считать фиксированным эталоном времени, позволяющим снизить неточность замеров, выполняемых мобильной станцией.

Некоторые реализации технологии Е-OTD позволяют также определять высоту расположения мобильной станции. В этом случае гиперболы и окружности, показанные на рис. 4.2, рассматриваются как гиперболоиды и сферы, соответственно.

4.5. Технология измерения разности времени

приема сигналов (OTDoA)

            Технология измерения разности времени приема сигналов (Оb- served Time Difference of Arrival, OTDoA) — аналог технологии Е-OTD, рекомендованной для применения в сетях 0МТS (UTRAN). Благодаря тому, что в основе работы OTDoA лежат более точные измерения, чем при аналогичном методе в GSM, точность определения местоположения выше. Главной измеряемой величиной в данной технологии является задержка (SFN-SFN Time Difference) между двумя системными кадрами (Super Frame Number, SFN), получаемыми от двух различных базовых станций сети UMTS в так называемом общем пилотном канале (Соmmon Pilot Channel, CPICH). Пилотный канал используется в UTRAN для синхронизации оборудования абонента (UE) и Node В. Деюдирование передаваемых по пилотному каналу данных позволяет однозначно идентифицировать излучающий Node В, поскольку по пилотному каналу передаются кодовые последовательности, уникальные для каждой ячейки.

В качестве вспомогательных данных также используется время полного прохождения сигнала (Round Trip Типе, RTT) на участке Node В — UE при несинхронной работе Node В — UE, а в синхронном режиме применяется отклонение времени приема (Rx Тimе Deviation). Также в зависимости от того, в синхронною или в несинхронном режиме работает сеть доступа, применяются разные подходы к вычислению разницы времени передачи о Node В (НИТО). В синхронном режиме значения относительной временной разницы передачи сигналов RltTD  будут постоянными, поэтому время актуальности однажды измеренного RltTD — про должительное, его можно хранить в базе данных, которая будет использоваться функцией вычисления координат. Точность синхронизации должна быть не хуже десятков наносекунд, та как ошибка в 10 нс приведет к ошибке определения местоположения, равной 3 м. Синхронизация с таким уровнем точности может быть достигнута посредством интегрирования приемников систем спутниковой навигации в Node В. Сети UTRAN, работающие в режиме временного разделения каналов, как правило, синхронизированы.

При работе сети в режиме частотного разделения каналов, значение сдвига относительно реального времени будет постоянно меняться, поскольку Node В работают асинхронно. При отсутствии точной синхронизации Node В для измерений сдвига R70 могут применяться автономные измерительные модули с известными координатами (LMU), которые также могут быть совмещены с Node В. Для повышения точности при вычислении координат следует использовать максимально свежие данные о величине сдвига RTD. Поэтому чем большее количество измерений методом OTDoA будет сделано, тем меньше вероятность определения неточных координат. На практике ошибка сдвига относительно реального времени может достигать 10...50 нс.

В зависимости от того, осуществляет ли абонентское оборудование вычисление координат своего местоположения самостоятельно или вычисления производятся в контроллере (RNC) на основании переданных абонентским оборудованием данных измерений, выделяют две разновидности технологии: основанной на оборудовании абонента (UE-based) и вспомогательной функции оборудования абонента (UE-assisted) OTDoA. В последнем случае первичные измерения осуществляет абонентское оборудование, результаты которых передаются в контроллер с помощью интерфейсов Uu, /lub и /lur для окончательного измерения координат абонентского оборудования.

            В универсальной наземной сети радиосвязи при использовании метода OTDoA остро встает проблема приема сигналов от нескольких Node В одновременно. Дело в том, что в сети UTRAN соседние Node В могут работать на одной частоте, поэтому вблизи обслуживающей базовой станции мобильная станция может не «слышать» другие базовые станции, работающие на этой же частоте.

Решение этой проблемы состоит в использовании технологий отключения сигналов от Node В. К ним относятся технология периодического отключения сигнала по линии «вниз» (Idle Period Downlink, IPDL) и технология совокупного виртуального подавления сигналов (Cumulative Virtual Blanking, CVB).

            В сетях UTRAN для измерения временных составляющих и сигналов по линии «вверх» возможно применение технологии U-TDoA (Uplink TDoA), которую предлагает американская фирма TruePosition. В этом случае не требуется подавления сигналов от Node В, что сохраняет целостность системы. Исключается необходимость модификации абонентского оборудования и узлов Node В, что положительно сказывается на реализации технологии с использованием различного оборудования и стандартов и не отражается на управлении сетью в целом. А также, благодаря тому, что цифровая обработка сигналов производится на оборудовании сети, могут применяться более сложные алгоритмы вычислений, требующие больших вычислительных мощностей.

Однако реализация данной технологии в системах с кодовым разделением каналов (CDMA) осложняется одним существенным недостатком, называемым «проблемой близости», когда абонентское оборудование находится вблизи обслуживающего Node В. В этом случае очень трудно различить сигналы абонентского оборудования на других Node В, участвующих в определении местоположения. Есть несколько способов решения этой проблемы. Например, применяя интерференционный подавитель, можно частично удалить мешающие сигналы и обнаружить слабые сигналы удаленного абонентского оборудования. Но на текущий момент этот подход довольно затруднителен в реализации и экономически себя не оправдывает.

Технология периодического отключения сигнала по линии «вниз» (IPDL)

В технологии IPDL (Idle Period Downlink) каждый Node В в определенные моменты времени отключает передачу на короткие промежутки времени, называемые «холостыми периодами» (Idle Period). В такие промежутки времени мобильные станции, находящиеся в зоне действия неактивной базовой станции, могут проводить измерения, необходимые для определения местоположения временных параметров соседних базовых станций. Естественно, все Node В сети не должны отключать передачу одновременно, иначе мобильной станции (или абонентскому оборудованию) будет просто нечего измерять. Таким образом, возникает противоречие: с одной стороны, мобильная станция для повышения точности определения местоположения должна принимать сигналы от максимального количества Node В, с другой стороны, применение технологии IPDL неизбежно снижает количество принимаемых сигналов. Для решения проблемы предлагается модификация технологии IPDL, при которой отключение передачи осуществляется синхронно. Во время таких отключений передаются только сигналы пилотного канала и только определенной группой Node В, что контролируется соответствующим контроллером радиосвязи. Последний инициирует передачу посредством протокола NBAP (NodeB Application Part). Мощность сигналов пилотных каналов группы Node В может быть дополнительно кратковременно увеличена, чтобы повысить качество измерений.

Необходимо учитывать, что как для усовершенствованного метода Е-OTD, так и для метода OTDoA на точность определения местоположения сильно влияют многолучевое распространение радиоволн и системные помехи. Для преодоления влияния этих

факторов желательна «слышимость» более чем трех базовых станций. Однако ни классический OTDoA, ни OTDoA-IPDL не могут обеспечить одновременный прием сигналов от требуемого количества Node В в любой точке сети. Кроме того, частое отключение общего канала передачи пилот-сигнала может отрицательно сказаться на качестве работы сети.

Технология направленного виртуального подавления сигналов (СЧВ)

Для решения проблем технологии периодического отключения сигнала по линии «вниз» компания Cambridge Positioning Systems (одна из родоначальников технологии Е-OTD) предложила технологию направленного виртуального подавления сигналов от раз- личных Node В (Cumulative Virtual Blanking, CVB). Вместо физического отключения передачи данная технология предусматривает использование цифровой обработки сигналов в сервисном центре определения местоположения (SMLC) с целью извлечения информации о временных задержках слабых сигналов Node В.

В момент запроса данных о местоположении снимается «радиоотпечаток» принимаемого абонентским оборудованием радиосигнала. В это же время снимаются аналогичные «отпечатки» со всех Node В, в зоне действия которых может находиться терминал. Сигнальный процессор абонентского оборудования формирует некоторый пакет данных (объемом от 1 до 4 кбайт) и передает его в сервисный центр определения местоположения. На каждом Node В такой же пакет формируется на основе данных измерительного модуля, причем возможно подключение последнего непосредственно к выходу модулятора Node В (до усилителя) или совмещение функций измерительного модуля и Node В. Каждый пакет помечается отметкой момента времени, когда он был сформирован, поэтому для виртуального подавления сигналов не требуется жесткая синхронизация сети. Достаточно, чтобы «отпечатки» перекрывались по времени хотя бы в некотором интервале.

Полученные пакеты данных обрабатываются в сервисном центре SMLC, где осуществляются синхронизация данных от Node В и абонентского оборудования, последовательное программное вычитание компонентов сигнала каждого Node В из «отпечатка» абонентского оборудования и вычисление необходимых для работы алгоритма OTDoA временных задержек распространения сигнала. Алгоритм предусматривает вычисление задержки и вычитание «отпечатков» сначала от Моде В с самым сильным уровнем сигнала и далее, по мере убывания уровня сигнала Node В. Затем полученные временные задержки от всех Node В объединяются для принятия окончательного решения.

Таким образом, технология направленного виртуального подавления сигналов обладает следующими п р е и м у щ е ст в а м и по сравнению с периодическим отключением сигнала по линии «вверх»:

— не происходит снижения емкости и пропускной способности сети;

— используются все излучаемые Node В сигналы, а не толка общего канала передачи пилот-сигнала;

— упрощается конструкция мобильной станции;

— повышается точность на периферии зоны обслуживания сетью;

— повышается устойчивость к влиянию многолучевого распространения радиоволн.

Результаты испытаний технологии направленного подавления сигналов показали, что она обеспечивает одновременную рабату до восьми Node В и более, а следовательно, и более высокую точность определения местоположения по отношению к рассмотренным ранее методам.

Модификации технологии OTDoA

Существует ряд модификаций технологии OTDoA, ориентированных на зоны связи с низким уровнем сигнала, принимаемого мабильной станцией, например, в помещениях или на значительном удалении от базовой станции.

Технология определения местоположения OTDoA по опорным узлам (OTDoA-RNBP, Reference-Node-Based Positioning) предполагает размещение в местах со слабым уровнем сигналов базовых станций специальных устройств — эталонных узлов. Координаты узлов точно известны сети, и информация, полученная от эталонных узлов, используется при вычислениях.

Технология определения местоположения OTDoA с применением специальных модулей позиционирования (OTDoA-РЕ, Positioning Elements). При реализации данной технологии модули определения местоположения также размещаются в точно известных для сети местах и передают в эфир так называемые вторичные коды синхронизации (Secondary Synchronization Codes, SSC). Разница во времени прибытия этих сигналов может быть использована для вычислений по алгоритму OTDoA в условиях, когда сигналов пилотных каналов Node В недостаточно.

4.6. Технология определения местоположения по

направлению приема сигнала (АоА)

Предполагается, что в сетях UTRAN, построенных с использованием секторных и адаптивных антенн (антенных решеток) с узкой диаграммой направленности (ДН), найдет применение технология «угол приема сигнала» (Angle of Аrrival, АоА). Данная технология основана на использовании для измерения местоположения мобильной станции информации о направлении приема сигнала (пеленге) на Node В от мобильной станции. Контроллер радиосети сможет вычислять местоположение мобильной станции на основе информации о пересечении двух линий направления приема сигнала, т.е. эта технология требует, как минимум, двух Node В, оборудованных антеннами с узкой диаграммой направленности. Конечно, большее количество используемых для расчетов станций даст лучшие показатели точности.

Однако точность технологии АоА на практике не высока, кромe того, существуют проблемы практического характера. Во-первых, точность определения направления приема прямо пропорциональна ширине ДН применяемой антенны, т.е. на Node В требуются адаптивные и интеллектуальные (smart-antennas) антенные решетки. Несмотря на множество преимуществ таких антенн, в ближайшем будущем они вряд ли могут стать широко применимыми при построении сотовых сетей. Пока их точность недостаточна для позиционирования, а цена значительно превышает стоимость традиционных антенн.

Во-вторых, из-за эффекта многолучевого распространения радиоволн Node В не всегда может отличить прямой сигнал мобильной станции от переотраженных. Эта проблема не является специфической для технологии АоА и характерна для большинства технологий определения местоположения.

Различные вспомогательные технологии призваны компенсировать тот факт, что радиосигнал редко доходит до абонента по прямой траектории и любые выполненные мобильной станцией или абонентским оборудованием измерения не показывают реальное расстояние от него до базовой станции или Node В. Измеренное и реальное расстояния редко совпадают, а в некоторые случаях, в зависимости от топологии местности, расхождения мо- гут быть очень большими как в городе, так и на открытой местности. Самые точные технологии определения местоположения ocнованы на использовании информации от глобальных спутниковых навигационных систем, таких как GPS (NAVSTAR)* и ГЛОНАСС. Эти системы относятся к семейству технологий триангуляции, но с линией прямой видимости между мобильными станциями и навигационными спутниками и уникальной способностью определять ошибки синхронизации. Все это позволяет выполнять максимально точные измерения и обеспечить точность определения местоположения до нескольких метров.

4.7. Другие технологии определения местоположения

Помимо рассмотренных здесь технологий определения местоположения существуют также другие методы, предлагаемые различными производителями оборудования связи и навигации. Главным образом они являются модификациями и дополнениями рассмотренных технологий.

Интересной, например, представляется технология определения местоположения на основе анализа «радиоотпечатков» («fingerprints»). Она реализована в системе RadioCamera компании U.S. Wireless Corp. Работа системы RadioCamera по определению местоположения MS базируется на применении технологии анализа параметров радиосигнала и характеристик его многолучевого распространения. Измеряя фазовые, временные и амплитудные параметры фрагментов радиосигнала от мобильной станции, принятого базовой станцией, RadioCamera оценивает структуру подобного «радиоотпечатка» сигнала и вычисляет eгo «сигнатуру». Полученная информация сравнивается системой со своей базой образцов таких «сигнатур», соответствующих разным вариантам расположения MS на местности. Однако последние испытания такой системы показали наличие ряда технических проблем. Кроме того, реализация данной технологии для сетей с применением в радиоканале технологии СОМА (в частности, сетей UMTS) затруднительна в силу того, что несколько базовых станций работают на одной частоте.

Во многих случаях сотовая сеть может выступать в роли транспортной для передачи данных о местоположении различных подвижных объектов (ПО), оборудованных аппаратурой взаимодействия с сотовыми сетями. В качестве примера можно привести реализацию так называемого «метода близости». Принцип метода достаточно прост: по контролируемой зоне устанавливаются радиомаяки (PM), которые имеют ограниченную зону действия и свой, соответствующий этой зоне, адресный признак. При прохождении ПО мимо маяков фиксируется его местоположение. В результате местоположение ПО привязывается к конкретному радиомаяку. По принципам обмена информацией ПО с PM различают методы «прямой» и «обратной близости». В системах «прямой близости» ПО, оснащенный средствами связи с сотовой сетью, определяет свое местоположение относительно PM, записывает и передает в сотовую сеть адрес радиозоны, которую он пересек или в которой находится. В системах «обратной близости» PM принимает и передает в сотовую сеть номер проходящего мимо него ПО и свои координаты (эти координаты для сотовой сети могут быть заранее известны).

            В Техническом университете г. Калгари (Канада) разрабатываются способы объединения информации от GPS с уже используемыми коммерческими инерциальными навигационными системами — датчиками, встроенными в автомобиль, фиксирующими скорость перемещения и направление движения. Эта работа посвящена разработке алгоритмов и моделированию ошибок, которые предоставят оптимальные, с математической точки зрения, пути интеграции двух разных видов информации, предоставляемой GPS и инерциальными системами.

            Также исследуются возможности использования различных инерциальных датчиков для отслеживания перемещений абонента по отношению к известным фиксированным точкам.

Глава 5

Определение местоположения на основе

 спутниковых навигационных систем

5.1. Спутниковые навигационные системы

            Определение местоположения на основе данных от спутниковых навигационных систем (СНС) обеспечивает высокую точность вычисления координат, скорости и направления движения различных объектов, а также существенно повышает эффективность систем сотовой связи за счет высокоточной временной синхронизации ТОМА и СОМА-систем. С начала 1990-х гг. действовали две спутниковые навигационные системы: глобальная навигационная спутниковая система GPS, ранее известная как NAVSTAR (США), и глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС (Россия). Навигационные системы GPS и ГЛОНАСС предоставляют информацию о местоположении, скорости движения и времени (Position, Velocity, Time, PVT) при любых погодных условиях неограниченному числу абонентов на земле, в воздушном и морском пространстве. Несмотря на то, что изначально обе системы разрабатывались для нужд военных ведомств, позже они стали доступны для гражданского использования и сейчас являются системами двойного назначения.

            Система GPS разработана в Министерстве обороны США (МО США), ее часть — стандартная служба позиционирования (Standard Positioning Service, SPS) находится в свободном доступе. Официальное разрешение об использовании GPS в гражданских целях было предоставлено Международной организацией гражданской авиации (ИКАО) и Международной морской организацией (ИМО) в начале 1990-х гг. Детальное описание гражданской системы содержится в Интерфейсно-контрольном документе (Interface Control Document, ICD), опубликованном МО США.

            Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС создана по заказу Министерства обороны бывшего СССР и начала эксплуатироваться в октябре 1982 г. после запуска первого спутника «Космос-1413». История зарождения этой системы берет свое начало с 50-х годов прошлого века, когда был разработан и выведен на орбиту первый искусственный спутник Земли. В 1994 г. Россия предоставила международному сообществу для гражданского использования СНС ГЛОНАСС и передала ИКАО описание структуры навигационных сигналов.

5.1.1. Принципы спутниковой навигации

            Спутниковые навигационные системы состоят из трех основных сегментов: космического сегмента, наземного управляющего сегмента (комплекса управления) и абонентских приемников (пользовательского сегмента). Обобщенная структурная схема спутниковых навигационных систем показана на рис. 5.1.

Космический сегмент состоит из орбитального созвездия, как правило, из 24 спутников. Каждый из них передает навигационный код, по которому приемник определяет расстояние до спутника. Такое количество спутников способно охватить всю земную поверхность равномерным полем радионавигационных сигналов с запасом по высоте порядка 2000 км. Этого достаточно для большинства применений навигационных систем как на земле, так и в воздушном пространстве. Данные навигационных сообщений, переданные со спутников, позволяют определить точное местоположение на момент передачи сигналов. СНС — это пассивные системы, т.е. пользователь может только принимать спутниковый сигнал и не имеет обратной связи со спутником.

            Все спутники контролируются наземной системой управления, осуществляющей мониторинг навигационного поля, непрерывное слежение за созвездием спутников, управляющей ими и обновляющей навигационные данные. С помощью эталонных приемников измеряются сигналы со спутников, и результаты таких измерений используются для получения параметров орбит (эфемерид) для каждого спутника, а также для вычисления сдвига часов спутника относительно общесистемного времени. Эти сведения об эфемеридах и смещении часов загружаются на спутники для передачи конечным пользователям.

Спутники, таким образом, должны осуществлять: — прием, дешифровку и отработку команд управления режимами функционирования спутника на орбите от наземного комплекса управления (НКУ);

            — прием и обработку кодов коррекции бортовой шкалы времени;

            — контроль состояния бортовой аппаратуры (совместно с наземным комплексом управления), выработку сигналов о текущей работоспособности и их передачу наземному сегменту.

            В итоге пользовательскому приемнику для определения местоположения необходимо иметь информацию о положении спутника и времени передачи сигнала от каждого спутника.

            Приемник определяет собственное местоположение по времени прохождения сигнала от спутников (ТоА), измеряя расстояние до спутника как произведение групповой скорости распространения радиоволн на время прохождения сигнала по трассе «спутник — приемник». Полученный результат называется псевдо- дальностью R и раскрывает принцип, согласно которому время распространения сигналов однозначно соответствует расстоянию между спутником, чьи координаты известны, и приемником, местоположение которого неизвестно. Теоретически, достаточно трех спутников для определения координат приемника, находящегося в зоне пересечения трех сфер, каждая с радиусом, равным псевдодальности. Как показано, на рис. 5.2, псевдодальность включает геометрическое расстояние до спутника плюс некоторую погрешность, вызванную нестабильностью часов приемника и спутникового генератора тактовой частоты, непостоянством скорости распространения радиоволн, относительной неточностью координат спутников и другими факторами.

            На каждом спутнике имеется несколько высокоточных атомных часов, предназначенных для обеспечения стабильности времени, достаточной для того, чтобы наземный сегмент определяя время, переданное со спутника, с точностью до нескольких нано- секунд. Более того, данные об эфемеридах, содержащиеся в навигационном сообщении, позволяют определить положение спутника с точностью до нескольких метров. В то же время положению приемника пользователя неизвестно, а часы приемника не могут быть достаточно точными, поскольку должны быть малогабаритными и недорогими.             Следовательно, нестабильность часов приемника относительно общесистемного времени необходимо считать дополнительной неизвестной и вычислять совместно с трехмерными координатами приемника. Таким образом, местоположение приемника пользователя характеризуется вектором [х, у, z, C_в], где [х, у, z] — координаты пользователя в геоцентрической системе: C_в — отклонение пользовательских часов.

            Математическое выражение этого принципа можно представить следующим образом:

где R — псевдодальность или измеренное расстояние, скорректированное с учетом ошибок распространения радиоволн и нестабильности спутникового генератора тактовой частоты;

Δt — измеренная задержка сигнала; с — скорость распространения радиоволн; X_s Y_s Z_s — местоположение спутника в момент передачи сигнала; X_r Y_r Z_r — местоположение антенны приемника в момент приема сигнала.

            Определив время и расстояния до спутников, можно вычислить местоположение приемника. Так как нестабильность часов приемника вносит дополнительную неизвестную в систему уравнений, то для точного трехмерного определения местоположения объекта и коррекции временной шкалы требуется решить систему из четырех уравнений, т.е. выполнить как минимум четыре измерения от спутников с оптимальной геометрией. Если приемник «видит» четыре спутника, он может выполнить четыре измерения, а следовательно, рассчитать все четыре неизвестных. Как правило, для полностью развернутой СНС в зоне видимости приемника находятся от 5 до 11 спутников, из которых приемник может выбрать четыре с оптимальной геометрией или использовать для расчетов информацию от всех наблюдаемых спутников. Расчет координат по четырем спутникам применялся в первых образцаx навигационных приемников и осуществлялся, например, по принципу тетраэдра, когда четыре спутника в вершинах должны образовывать тетраэдр максимального объема.

Следует отметить, что приемник также измеряет доплеровский сдвиг частоты сигналов спутников. Эта величина позволяет напрямую рассчитать скорость движения, а также сдвиг частоты приемника относительно общесистемного времени. Составляющие вектора скорости приемника определяются посредством решения аналогичных (5.1) уравнений для псевдоскоростей.

            Навигационные приемники выполняют первичные расчеты для определения местоположения и скорости перемещения, используя геоцентрическую систему декартовых координат, связанную с Землей (ЕаНЬСеп1егеб Earth-Fixed coordinate system, ECEF). Полученные результаты переводятся в местные или географические координаты, долготу и широту, используя модель земногo профиля. В системе GPS применяется Всемирная геодезическая система координат 1984 (World Geodetic System, WGS-84), а в ГЛОНАСС — российская система П3-90.

Данные, полученные в спутниковом навигационном сообщении, помимо непосредственного вычисления координат, также используются с целью устранения ошибок, связанных со сдвигом тактовой частоты цифровых сигналов спутника, релятивистскими эффектами и задержками сигнала при распространении. Также погрешность могут вносить шумы самого приемника и неточность данных эфемерид спутников.

Основной ошибкой при распространении навигационного сигнала являются задержки в ионосфере. Однако их можно с высокой точностью корректировать, применяя две несущие навигационного сигнала и определяя задержку между двумя частотами. Если абоненту доступна только одна частота, то целесообразно использовать алгоритм определения задержки с учетом широты, на которой находится пользователь, времени суток и года. Для этих целей чаще всего используется уточненная модель Клобучара. Параметры для этого алгоритма передаются в навигационном сообщении, а его точность составляет 50 — 60%. На средних широтах задержка в ионосфере, как правило, не превышает 14 м, хотя в моменты пика солнечной активности задержка увеличивается до 50 м. Другая возможность корректировки ионосферных ошибок для пользователей одночастотных приемников заключается в использовании поправок от дифференциальных систем, речь о которых пойдет ниже (более подробно см. 5.6).

Стоит отметить, что после ввода дополнительного сигнала стандартной точности на частоту L2 GPS и ГЛОНАСС, большинство современных приемников выпускаются в двухчастотном исполнении. В плане развития системы GPS предусмотрен ввод третьего сигнала на частотах L5 для предотвращения интерференционных помех от навигационных локаторов и применения в авиации и других приложениях, требующих повышенной точности. Передача этого сигнала будет расширяться по мере ввода новых спутников Block-IIF GPS. Указанные меры повышают помехозащищенность, надежность навигационных систем и позволяют снизить максимальный уровень погрешности определения место- положения в автономном режиме до единиц метров.

Другим существенным источником ошибок является задержка сигнала в тропосфере, которая не зависит от частоты, а потому определяется с учетом высоты местонахождения абонента, положения спутников и атмосферных параметров, прежде всего содержания паров воды. Задержка распространения сигнала в тропосфере создает погрешность порядка 2,3 м, если спутник находится в зените; около 9,3 м — при угле возвышения спутника 15˚ и 20...28 м для угла возвышения 5 . Эти показатели учитываются с помощью различных математических моделей при выполнении приемником навигационного решения.

Также при навигационных измерениях учитывается неравно- мерность гравитационного поля Земли, гравитационное влияние Луны и Солнца, световое давление и связанные с ним возмущения орбит спутников, другие геодинамические явления, а также помехи, связанные с переотражением сигналов от различных поверхностей, приводящим к многолучевому распространению радиосигналов.

5.1.2. Общие требования к приемнику

спутниковых навигационных систем

Для принятия навигационного решения приемник должен находиться в зоне действия как минимум четырех спутников с приемлемой геометрией и выполнить следующие операции:

— поиск спутников по частоте, коду и пространству; 

— вхождение в слежение за кодом;

— выбор навигационных спутников (рабочего созвездия);

— выделение и декодирование эфемеридной информации;

— накопление и анализ информации полного альманаха;

— измерение временной задержки сигналов по кодам и фазам несущих, а также доплеровских смещений;

— ввод поправок для измеренных псевдодальностей и псевдоскоростей;

— определение координат, времени и составляющих скорости приемника;

 — оценку точности навигационного решения.

При выполнении базового навигационного решения по мгновенному определению местоположения может использоваться метод наименьших квадратов, с помощью которого ищется решение, максимально приближающееся ко всем полученным в результате измерений псевдодальностям. Этот метод позволяет вычислять местоположение вместе с ковариационной матрицей, которая помогает минимизировать мгновенные ошибки по дальности, погрешность генератора тактовых импульсов приемника и отражает точность вычисления местоположения.

Навигационное решение определяется для конкретного момента времени, которое часто называется nepuoдом действия (Validity Time — в терминологии GPS). В результате чего процесс представляет собой последовательность мгновенных определений координат и в зависимости от скорости перемещения абонентского приемника может приводить к большим скачкам между результатами измерений. Чем выше скорость перемещения, тем существеннее проявляется скачкообразная структура навигационных измерений. Данный вид обработки приемлем в приемниках, используемых пешеходами, а также в неавтоматизированных приложениях. Однако при использовании его в автоматизированных системах управления, например, в автопилотах, такой подход неприемлем.

Для уменьшения ступенчатой структуры навигационных измерений во многих приемниках применяются математические методы обработки навигационных данных. Эти методы позволяют сгладить разницу между измерениями дальности на основе подсчета количества длин волн несущей навигационного сигнала с момента последнего измерения и скорости перемещения абонента, рассчитанной на основе доплеровского сдвига. Такой под- ход фиксирует результаты по дальности в определенных границах с учетом динамики и маневренных характеристик приемника. В приемниках, разработанных для использования на подвижных объектах, как правило, применяются алгоритмы вычислений, которые с помощью уравнений движения позволяют снизить шумы определения местоположения и скорости перемещения.

С учетом того, что относительные координаты и составляющие вектора скорости спутника и приемника меняются очень быстро, сообщения о параметрах движения спутников содержат сведения не об их точных координатах, а информацию о параметрах некоторой модели, аппроксимирующей траекторию движения спутника на достаточно большом интервале времени (около 30 мин). Параметры аппроксимирующей модели входят в состав навигационных сообщений спутников. В системе GPS используется кеплеровская модель движения с оскулирующими элементами. В системе ГЛОНАСС для выявления точного положения спутника применяются модели движения, в которых координаты и составляющие вектора скорости спутника определяются численным интегрированием дифференциальных уравнений движения спутника, учитывающих конечное число сил, действующих на спутник. Как правило, для описания орбиты спутника достаточно передать шесть ее элементов (эксцентриситет, средняя аномалия, большая полуось орбиты, долгота восходящего узла, наклонение орбиты и аргумент перигея). Этих параметров эфемеридной информации достаточно, чтобы выполнить краткосрочный прогноз с приемлемой точностью в указанном интервале времени.

            Поскольку местоположение спутников изменяется во времени, необходимо постоянно проверять параметры выбранного для навигационных расчетов спутника, а при необходимости менять состав рабочего созвездия. Приемник может терять выбранный спутник из видимости по причине того, например, что здания экранируют, а листва деревьев значительно ослабляет сигналы навигационных спутников. Даже когда приемник определяет, что тот или иной спутник находится в зоне видимости, его сигнал по указанным причинам может не приниматься, поэтому алгоритмы управления приемником должны компенсировать такие ситуации. В приемнике осуществляется непрерывный контроль целостности навигационных сигналов по так называемым RAIM-алгоритмам (Receiver Autonomous Integrity Monitoring — автономный контроль целостности в приемнике), с помощью которых решается задача обнаружения неисправного спутника (или некачественного сигнала) и исключения его из расчетов. Эта задача решается путем использования статистических методов.

            Хотя прогресс в создании микроэлектронных компонентов позволяет создавать многоканальные устройства слежения за сигналами, способные анализировать данные от 8 до 12 спутников одновременно, современные приемники, как правило, могут принимать сигналы со всех спутников, находящихся в зоне прямой видимости.

            В случае применения метода наименьших квадратов одновременно измеряется псевдодальность до всех спутников. Отсчет времени приема сигнала определяется приемником по результатам измерений, а отсчет времени передачи — по спутниковому времени:

где РR _измер(t_прм) — вычисленное псевдорасстояние до i-го спутника на момент приема сигнала; t_прм— время приема спутникового сигнала, измеренное приемником; t_прд время передачи сигнала со спутника, определенное спутником.

            Псевдодальность корректируется приемником с учетом ошибок синхронизации со спутником исходя из данных навигационно- го сообщения. По эфемеридам (точным орбитальным данным), содержащимся в навигационном сообщении спутника, вычисляется местоположение спутников на базе геоцентрической системы координат (ECEF) на момент передачи. По измеренным координатам приемника вычисляется прогнозируемая псевдодальность каждого спутника:

где R _{предсказ} (t_прд) — вычисленное местоположение i-го спутника на момент передачи; R _прм — местоположение антенны приемника, скорректированное с учетом вращения Земли.

5.1.3. Структурная схема приемника спутниковых

навигационных систем

Первые образцы приемной аппаратуры спутниковых навигационных систем создавались в одноканальном исполнении, весили десятки килограммов и стоили десятки тысяч долларов. Сегодня многоканальные портативные приемники весят десятки граммов, что позволяет интегрировать их в мобильные сотовые телефоны, карманные персональные компьютеры (КПК), наручные часы и даже в микродатчики, которые помогают орнитологам отслеживать миграцию птиц. Первые приемники поддерживали обработку аналоговых сигналов, в современных используются высокоэффективные алгоритмы цифровой обработки сигналов.

Структурная схема приемника спутниковых навигационных систем и принципы обработки сигналов во многом идентичны для GPS и ГЛОНАСС. При всем разнообразии конструкций приемников, как правило, цифровой приемник СНС обеспечивает:

— прием радиосигнала и его преобразование в цифровой;

 — синхронизацию по несущей частоте и временной шкале;

             — измерение задержек распространения сигнала и доплеровского сдвига несущей частоты;

            — формирование навигационного решения.

 В приемнике спектр спутникового сигнала переносится на промежуточную частоту (рис. 5.3) с помощью операции перемножения входного сигнала с опорным гармоническим колебанием. Да- лее результат перемножения проходит корреляционную обработку путем перемножения с опорным навигационным кодом. Измерение задержек распространения сигнала и доплеровского сдвига несущей частоты от спутника в приемнике производится путем сравнения входного сигнала и его точной копии, формируемой опорным генератором.

Одним из основных элементов навигационного приемника является антенна. При конструировании антенно-фидерного устройства навигационного приемника учитываются значения нескольких параметров, в частности, ширина полосы частот, волновое  сопротивление (импеданс), коэффициент стоячей волны по напряжению и диаграмма излучения, включающая поляризацию и коэффициент усиления. Конструкция антенны — это компромисс между этими параметрами. Так, диаграмма направленности (ДН) должна обеспечивать достаточный коэффициент усиления антенны в как можно большей пространственной области, в требуемой полосе частот, в которой могут работать навигационные системы GPS и ГЛОНАСС на частотах L1 и L2. Однако сложно поддерживать диаграмму излучения и круговую поляризацию в широкой полосе частот, поскольку размер и форма подстилающей поверхности, на которой установлена антенна, ухудшает рабочие показатели. Необходимо оптимизировать конструкцию антенны для каждого конкретного применения, учитывая, что, если коэффициент усиления становится меньше определенного уровня, то приемнику будет гораздо сложнее обеспечить синхронизацию сигналов спутников и отслеживать их.

В зависимости от структуры и назначения навигационного приемника могут применяться антенны с различными диаграммами направленности, как узконаправленные (с шириной луча до единиц градусов), так и ненаправленные. В простейшем случае антенна имеет равномерную ДН, направленную в верхнюю полусферу. В случае направленной антенны улучшаются энергетические характеристики радиоканала, повышается помехозащищенность, но вместе с тем возникает проблема управления узким лучом ДН. Поэтому в конструкциях приемников, некритичных к массогабаритным характеристикам (устанавливаемых на крупных воздушных и морских судах, большегрузных автомобилях и др.), часто используются фазированные антенные решетки и антенны с изменяемой ДН. Изменение последней также может использоваться для борьбы с помехами, когда путем управления пространственной избирательностью антенны обеспечиваются «нули» ДН в направлении на помехи.

В большинстве навигационных приемников применяются пассивные антенны. Однако для предупреждения потерь и уменьшения уровня шума (например, при использовании антенного кабеля большой длины) применяются внутренние или внешние мало-шумящие усилители. Волновое сопротивление, соотносимое с коэффициентом стоячей волны по напряжению в лучшем случае как 1:2 (предпочтительнее как 1:1,5), достаточно, чтобы не допустить снижения мощности принимаемого сигнала и повышения шумового порога в приемнике. Усилитель должен быть линейным и устойчивым к высоким уровням мощности на входе приемника, которые могут возникать, например, вблизи навигационных радиолокаторов. В высококачественных приемниках входная критическая мощность обычно равна 1 ...3 Вт, а уровень сжатия при коэффициенте усиления 1 дБ составляет -60 дБВт.

В простейших навигационных приемниках используются микрополосковые антенны, которые представляют собой две параллельно расположенные проводящие поверхности, разделенные диэлектриком. Верхний слой является излучателем антенны, нижний — заземлен. Такая антенна имеет ДН, направленную вверх, перпендикулярно плоскости излучателя, и обеспечивает равномерный коэффициент усиления в верхней полусфере. Характеристики и конструкция антенны позволяют реализовывать ее с малыми габаритами и массой и, благодаря дешевизне и простоте изготовления, широко использовать в недорогих навигационных приемниках. Также в недорогих приемниках используется резонансный монополь длиной около 5 см. Однако, поскольку монополь имеет тороидальную диаграмму направленности и вертикальную поляризацию, он не всегда подходит для GPS с круговой поляризацией.

Спиральная и двухвитковая спиральная антенны используются в тех случаях, когда требуется небольшая антенна. Такие антенны могут выполняться в низкопрофильной конструкции, но они не подходят для высокоскоростных транспортных средств. Эта разновидность антенны менее других чувствительна к наличию или отсутствию подстилающей поверхности и может размещаться на диэлектрических поверхностях, что позволяет использовать ее в различных устройствах, начиная от навигационных приемников транспортных средств и заканчивая портативными приемниками.

Антенны, размещаемые на поверхности высокоскоростных транспортных средств, например, самолетов, где они практически не должны выступать за контур объекта, представляют ряд сложностей в реализации. Как правило, используются крестообразные щелевые или встраиваемые антенны (patch-antennas). Первые, как правило, четырех полярные и располагаются под прямым углом на требуемом расстоянии от подстилающей поверхности. Встраиваемые антенны могут быть разной формы и располагаться на обшивке самолета, играющей роль подстилающей поверхности, обеспечивая требуемые рабочие параметры антенны.

Эффект многлучевости значительно снижает точности результатов измерения дальности. Чтобы улучшить условия приема

сигналов от спутника с низким углом возвышения, когда велика вероятность появления многолучевых сигналов, в стационарных приемниках используется аналог подстилающей поверхности (например, круговой ступенчатый противовес, также называемый дроссельным кольцом).

Для подавления внеполосных излучений в приемниках используются фильтры высоких и промежуточных частот с преобразованием входного сигнала с понижением частоты. Эти фильтры позволяют подавить внеполосные сигналы, которые в противном случае переполнили бы аналогово-цифровые преобразователи и систему автоматической регулировки усиления (АРУ). Интерференционные помехи в полосе частот СНС подавляются в процессе цифровой обработки сигналов после выделения навигационного кода. Важно, что процесс преобразования с понижением частоты — линейный по фазе и амплитуде — и не порождает эффекта интермодуляции, который может возникать на частотах спутниковых сигналов.

Преобразование с понижением частоты и дискретизация могут привести к существенному увеличению системных потерь. Для снижения потерь (до величин менее 1 дБ) используется двухбитовое аналогово-цифровое преобразование с внутрифазовой и квадратурной дискретизацией сигнала на промежуточной частоте. Амплитуда входного сигнала также должна удерживаться в определенных пределах, что обеспечивается АРУ, которая нормирует уровень сигнала и, таким образом, стабилизирует характеристики для последующей обработки.

Обнаружение и выделение навигационного кода спутникового сигнала — это основная задача приемников навигационных систем GPS и ГЛОНАСС, которая обеспечивает точное определение местоположения, а также помогает выделить несущую частоту и навигационные данные. Информация о дальности содержится в задержке кода и в фазе несущей частоты, поэтому поиск спутникового сигнала должен осуществляться по времени и частоте. Для этого применяются система фазовой автоподстройки частоты (ФАП) и схема слежения за задержкой кода. Копия кода пошагово сравнивается с принятым, и результат корреляции интегрируется на коротком интервале времени, обычно 1, 5 и 10 мс. На выходе коррелятора формируются интегралы, которые обрабатываются в соответствующем процессоре, обеспечивающем принятие решения о синхронизации по задержке. Для увеличения отношения сигнал/шум на выходе коррелятора и, следовательно, увеличения вероятности обнаружения сигнала может применяться более продолжительное интегрирование по времени. Однако время интегрирования ограниченно 10 мс из-за неопределенности, вызванной фазовым сдвигом в 20-миллисекундных интервалах, возникающих из-за частоты навигационных данных 50 Гц. Поэтому применяются два последовательных интегрирования, одно из которых имеет бесконечные пределы.

 10-миллисекундное время интегрирования приводит к разрешению по частоте 100 Гц. Движение спутников обусловливает максимальный доплеровский сдвиг ±4,6 кГц, а движение приемника относительно спутника добавляет в доплеровскую компоненту 5 Гц при скорости 1 м/с. Если приемник обладает априорной информацией о своих координатах, скорости перемещения и спутниковом созвездии (альманахе), может быть вычислена доплеровская частота и, следовательно, определен диапазон частоты поиска в петле ФАП. Однако, если данные альманаха устарели или существует неопределенность в параметрах движения, должны выполняться все возможные измерения по частоте. Для уменьшения времени синхронизации по задержке число корреляторов может быть увеличено, а время интегрирования сокращено до 1 мс. Но уменьшение времени интегрирования и расширение диапазона поиска, как следствие, повышает чувствительность к интерференции. Для точного определения местоположения приемника ширина диапазона поиска схемы слежения за задержкой должна быть менее 1 Гц. Внешние обратные связи слежения за частотой и фазой несущей выполняются как дополнительные для окончательного вхождения в слежение за кодом и поддерживают его в необходимом диапазоне, когда приемник находится в движении. В специальных приложениях на высоко динамичных платформах также применяются вспомогательные функции инерционных навигационных систем для управления слежением за спутниковыми сигналами.

 Как только выполняется замыкание петель слежения за кодом и несущей, кодовый генератор выдает псевдорасстояние, а петля слежения за несущей (ФАП) — доплеровский сдвиг частоты. На основании измерений формируемых системой ФАП, помимо доплеровской частоты, можно измерить и фазу несущего колебания спутника. Фазовые измерения несущей позволяют определять дальность до спутника с погрешностью несколько долей сантиметра. Однако такой подход существенно усложняется из-за неопределенности при измерении фазы несущей и осуществляется, как правило, путем применения двух приемников, одновременно обрабатывающих сигналы одинаковых спутников. Такой метод вычисления координат называется дифференциальным, подробнее о нем будет сказано в 5.6. Полученные данные поступают в процессор для вынесения окончательного навигационного решения и там же корректируются с учетом вращения Земли, ошибок при распространении и могут дополняться дифференциальными поправками.

Уровень точности, в соответствии с которым приемник должен выполнять навигационное решение, зависит от области применения. Так, для управления воздушным движением требуется частота поиска 10 Гц, в то время как для портативных приемников достаточно входить в синхронизм со спутником каждые 4...5с. Частота 1 Гц достаточна для большинства приложений, иногда допускается уменьшение частоты для сохранения запаса мощности батарей питания.

5.1.4. Точность спутниковых навигационных систем

В навигационных системах GPS и ГЛОНАСС оценка точности навигационных измерений основывается на использовании статистической теории решений, поскольку два основных параметра, от которых зависит точность, изменяются во времени. Точность определения местоположения зависит от совокупности действующих на систему ошибок и взаимного геометрического положения спутников и приемника. Таким образом, точность задается произведением эквивалентной погрешности измерения дальности абонентом (User Equivalent Range Error, UERE) и показателя снижения точности, обусловленного геометрическими факторами (Geometrical Dilution Of Precision, GDOP):

Точность определения местоположения = UERE ∙ GDOP. (5.4)

Здесь UERE определяет величину погрешности измеряемой приемником дальности до каждого спутника. Погрешность измерения дальности зависит от особенностей распространения радиоволн в тропосфере и ионосфере, различных геодинамических явлений, неточности эфемеридной информации, нестабильности частоты спутникового опорного генератора, влияния помех, внутренних шумов приемника. Эта погрешность распределяется случайным образом и может быть представлена гауссовским распределением вероятности. Математически UERE выражается как корень квадратный из суммы квадратов всех действующих на систему ошибок. Мгновенная погрешность для каждого спутника будет разной и зависит главным образом от угла возвышения спутника на момент измерения (в основном из-за продолжительности прохождения сигнала в ионосфере и тропосфере), а также от актуальности навигационных корректирующих данных, переданных спутнику сегментом управления. Сегменты управления в GPS и ГЛОНАСС, как минимум, ежедневно передают каждому спутнику обновленные данные, а при возникновении нештатных ситуаций, например, при обнаружении погрешностей тактового генератора неопределенного характера, еще чаще.

Точность определения местоположения обратно пропорциональна геометрическому показателю снижения точности GDOP. Последний определяется по векторной косинусоидальной матрице спутника и минимизируется за счет выбора спутников с наилучшей геометрией видимости. Наилучшая геометрия достигается, когда спутники максимально разнесены в пространстве.   На практике используются коэффициенты DOP, являющиеся    подклассом GDOP и имеющие особое физическое значение для  координат местоположения. К ним относятся: показатель снижения точности определения местоположения в пространстве (Position Dilution Of Precision, PDOP), в горизонтальной (Horizontal Dilution Of Precision, HDOP) и вертикальной плоскости (Vertical Dilution Of Precision, VDOP), а также показатель снижения точности, t    обусловленной нестабильностью временной шкалы (Time Dilution Of Precision, TDOP). Эти параметры связаны соотношениями:

Так как приемник может отслеживать только сигналы спутников, находящихся над уровнем горизонта, VDOP всегда больше, чем HDOP, и точность вертикальной составляющей меньше, чем горизонтальной. VDOP может быть улучшен с помощью применения вспомогательных средств, например, так называемых псевдоспутников, которые располагаются на Земле и передаю аналогичные спутниковым  сигналы.

Геометрический показатель снижения точности зависит от количества рабочих спутников. Из 24 спутников в любое время в зоне видимости пользователя находятся от 5 до 11 спутников (при условии, что здания или особенности местности не закрывают их). Если видны восемь спутников, то GDOP обычно не превышает трех. Однако при рабочем созвездии из 24 спутников, если из зоны видимости уходят несколько спутников, GDOP существенно ухудшается. В системе GPS при штатном состоянии спутниковой группировки показатель снижения точности PDOP не должен превышать шести в 99,9% случаев, в любой точке земного шара, в любое время. Данные о величине PDOP могут быть определены без выполнения измерений местоположения, когда известны приблизительные координаты приемника и альманах, Программное обеспечение навигационных приемников, как правило, может предсказывать геометрию движения спутников в таких ситуациях. Альманах системы передается в навигационном I сообщении, а также может быть получен от вспомогательных сетей, например, через сеть Интернет (для системы GPS альманах доступен на сайте навигационного центра береговой охраны  США, http://www.navcen.uscg.gov/GPS/default.htm # almanacs).  

Основная проблема для большинства существующих сегодня I спутниковых навигационных систем состоит в недостаточной целостности. Международные организации ИКАО и ИМО возражали  против автономного использования систем GPS и ГЛОНАСС без  вспомогательных систем, которые бы передавали сообщение целостности, информирующее пользователей о системных сбоях и   неполадках.  Подробнее об эксплуатационных характеристиках   СНС речь пойдет в 5.5.                                                                         

5.1.5. Системы координат и времени

спутниковых навигационных систем

Для определения местоположения спутника и абонента используется геоцентрическая система декартовых координат. Так как   земная поверхность имеет ярко выраженную неравномерность,  ее трудно использовать для привязки к координатам в навигационных приложениях. Для решения этой задачи используются aппроксимирующие математические поверхности, которые сглаживают неравномерность земной поверхности или в терминах геодезии аппроксимируют глобальный уровень моря геоидом. Одной из таких поверхностей является сфера, которая широко применяется в навигационных приложениях низкой точности. Для высокоточных приложений и в спутниковой навигации для аппроксимации Земли используется биаксиальный эллипсоид, применение которого, в то же время, незначительно усложняет математические операции привязки координат. Биаксиальный эллипсоид может быть задан с помощью большой и малой осей.

Координаты GPS определяются во Всемирной геодезической системе координат 1984 (World Geodetic System, WGS-84) Картографического управления МО США (U.S. Defense Mapping Agency, DMA) (рис. 5.4). За точку отчета в системе координат WGS-84 принят центр масс Земли, оси Z и X идентичны стандартной наземной системе (Conventional Terrestrial System, CTS), также известной под названием Геоцентрической системы декартовых координат, связанная с Землей (Earth-Centered Earth-Fixed coordinate system, ECEF) в определении Международного бюро времени (Bureau International de I'Heure, BIH). В ГЛОНАСС используется аналогичная, хотя и несколько отличная система ECEF — ПЗ-9О (Параметры Земли — 90). В среднем различие координат между ПЗ-90 и WGS-84 составляет, примерно, 10 м, и им можно пренебречь в ситуациях, когда не требуется высокая точность определения местоположения.

Оси системы ECEF сходятся в центре Земли, а направление осей определяется следующим образом:

- ось Z направлена на полюс Земли, который определен по среднему положению в период 1900-1905 гг.;

- ось X определяется пересечением плоскости экватора и плоскости меридиана, содержащего усредненные координаты Гринвичской обсерватории (гринвичский меридиан);

- ось  Yопределена таким образом, чтобы система была правонаправленной, т.е. угол между осями Х и Y составляет 90° в экваториальной плоскости.

Приемник переводит координаты ECEF в местную систему координат, которая может использоваться совместно с географическими картами и схемами, которые, как правило, составляются по результатам методов наблюдения, отображающим форму земной поверхности (геоид) на плоскости. Для максимально точного представления формы земной поверхности задается эллипсоид по нескольким параметрам (например, большим полуосям), который определяет систему координат. Для получения точных координат на плоскости используются различные проекционные методы с проекционной плоскостью, соприкасающейся с земной поверхностью в одной точке или вдоль кривой, например, экватора.

Существует несколько типов проекционных моделей, которые минимизируют расхождение между эллипсоидной формой Земли и плоской поверхностью проекции. Проекция может быть равноугольной (конформной) или равновеликой. Первая сохраняет соотношения углов эллипсоидной поверхности, но нарушает пропорции в координатах и осях на плоскости. Во второй отношение площади на карте к площади земной поверхности является постоянной величиной.

Наибольшее распространение в навигационных приложениях получила проекция, изобретенная Йоханом Ламбертом (1772 г.), получившая название «поперечный Меркатор». Поперечный Меркатор — это проекция на цилиндр, расположенный вокруг Земли, центральная ось которого расположена в экваториальной плоскости, при этом радиус цилиндра уменьшен на коэффициент 0,9996, чтобы он дважды пересекал земную сферу. В современных приложениях используется трансформированный поперечный Меркатор — универсальный поперечный Меркатор (Universal Transverse Mercator, UTM). В UTM вся земная поверхность разбивается на 60 зон равной площади, каждая из которых имеет

сбой центральный меридиан, и каждая зона проецируется отдельно, что существенно снижает расхождения с земной поверхностью. Дополнительно проецируются полярные зоны, так как UTM представляет координаты вблизи полюсов с большим расхождением.

В Картографическом управлении Великобритании (OSGB) используется проекция на касательную плоскость, соприкасающуюся с Землей в одной точке. Также широко применяются локальные системы координат (навигационные карты) при навигации на небольших территориях, где требуется точная привязка к координатам. Такой подход часто применяется в городах или при навигации в гаванях с помощью морских навигационных карт. Большинство навигационных приемников оснащены программным обеспечением, способным переводить координаты WGS-84 и ПЗ-90 в локальные координаты.

В теории СНС время — основополагающее понятие для навигационных измерений и от точности определения и синхронизации времени спутника и приемника зависит точность всей системы.

За эталон времени в навигационной системе GPS принято универсальное координированное время (Universal Time Coordinated, UTC), которое основывается на международном атомном стандарте времени (TAI) и координируется обсерваторией ВМС США (U.S. Naval Observatory, USNO). За начальный момент времени принята полночь с 5 на 6 января 1980 г. Расхождение времени GPS и UTC составляет не более 1 не и максимально при вводе целого числа дополнительных секунд в UTC для компенсации замедления скорости вращения Земли. Навигационные данные содержат необходимую информацию для соотнесения времени GPS с UTC. Время GPS непрерывно и не требует ввода дополнительных секунд.

В системе ГЛОНАСС шкала времени привязана к Госэталону Всемирного координированного времени (UTC SU) и совпадает со стандартным московским временем. Из-за особенностей в сегменте управления разница между системами времени в ГЛОНАСС и UTC составляет 3 часа. Время в ГЛОНАСС корректируется одновременно с введением корректировочных секунд в UTC. Дополнительные секунды вводятся примерно раз в полтора года, в полночь с 30 июня на 1 июля или с 31 декабря на 1 января.

5.2. Спутниковая навигационная система GPS (NAVSTAR)

5.2.1. Космический сегмент GPJ

Космический сегмент GPS состоит из 24 спутников, расположенных в шести орбитальных плоскостях, в каждой по четыре спутника. Орбитальные плоскости наклонены относительно экватора Земли на 55° и равномерно разнесены по долготе на 60^е. Номинальные координаты спутниковых орбит для исходного созвездия на 1 июля 1990 г. показаны на рис. 5.5. Однако при необходимости спутники могут перемещаться вокруг орбитальной плоскости, чтобы обеспечить непрерывное навигационное поле у земной поверхности.

Созвездие медленно вращается вокруг Земли с номинальной скоростью 0,04187 градусов в день, что приводит к изменению долготы спутников во времени. Долгота орбитальной плоскости описывается параметром, известным как прямое восхождение восходящего узла, и является долготой первого спутника, пересекающего экваториальную плоскость Земли в северном направлении после 00.00 часов. Спутники GPS имеют полусинхронные орбиты с эксцентриситетом  0,03  на средней  высоте 20 200  км (10 900 морских миль) над поверхностью Земли, с орбитальным . Временем обращения — 12 звездных часов, т.е. 11 ч 58 мин. В И результате вращения Земли трасса орбиты повторяется каждые Г  23 ч 56 мин. Таким образом, пользователь, находящийся в фиксированном месте, видит, как один и тот же спутник проходит по одной и той же траектории, ежедневно восходя и заходя на четыре минуты раньше.

 5.2.2. Сегмент управления GPS

Сегмент управления осуществляет командное радиоуправление ^Pl контроль за спутниками, мониторинг радионавигационного поля, эфемеридное и частотно-временное обеспечение системы и  состоит, прежде всего, из главной станции управления (Master Control Station, MCS), находящейся на авиабазе Фэлкон (Falcon) в Колорадо-Спрингс (США), а также станций мониторинга и наземных антенн. Основные станции мониторинга расположены на авиабазе Фэлкон, на Гавайях, атолле Кваджалейн (Маршалловы острова), острове Диего Гарсия (в центральной части Индийского океана) и острове Вознесения (южная часть Атлантического океана). Все станции мониторинга за исключением станций на Гавайях и авиабазе Фэлкон также оснащены наземными передающими  антеннами. Станции равномерно распределены относительно экватора, что создает благоприятные условия для  мониторинга И спутников. Станция предстартовой подготовки расположена на Г мысе Канаверал, а резервная станция управления — в штате Мэн F    (США).

Главная станция управления MCS — основной вычислительный модуль сегмента управления, отвечающий за мониторинг созвездия спутников и управление им. К функциям MSC (рис. 5.6) относятся:

- управление действиями по удержанию спутника на орбите;

- реконфигурирование резервного спутникового оборудования;

- проведение измерений для определения орбит всех спутников;

- определение расхождений бортовых шкал времени с общесистемным временем;

- формирование и передача на спутник служебной информации;                                                                                     - периодическое обновление навигационных сообщений, передаваемых спутниками;                                                      - другие функции мониторинга состояния спутников и их обслуживания.   

             Станции мониторинга в пассивном режиме отслеживают все находящиеся в зоне видимости спутники GPS, собирая системные данные определения дальности от каждого спутника. В составе каждой станции имеется навигационный приемник, подобный стандартному, атомные часы, датчики атмосферных условий и вычислительный комплекс, обрабатывающий полученную информацию и передающий ее на MCS через каждые 15 мин. Главная станция выполняет сложные математические вычисления для оценки орбитальных параметров созвездия, к числу которых относятся местоположение спутника, скорость перемещения, ускорение, тактовая частота и коэффициенты старения спутника, а также оценивает и прогнозирует эфемериды спутников и параметры тактовых генераторов. Дополнительно вычисляются интенсивность солнечного излучения, параметры тактового генератора станции мониторинга и параметры тропосферы. Через наземные антенны главная станция передает всем спутникам эфемериды и (данные генераторов для их последующей передачи в навигационном сообщении. Связь со спутниками осуществляется по командному каналу на частоте 2227,$ МГц, а обратный канал «спутник-Земля» занимает частоту 1783,74 МГц.

Новое поколение спутников, получивших название Block lIRs, сможет определять взаимную удаленность спутников, что позволит обеспечить автономную работу и в некоторой степени самостоятельно корректировать погрешности тактового генератора и орбитальных данных. Однако главная станция по-прежнему будет инициировать процедуру обновления данных эталонного времени и местоположения и передавать их.

5.2.3. Характеристики радиосигналов GPS

Спутники GPS передают сигналы измерения дальности, используя две когерентные несущие на частоте 1575,42 МГц для первого (L1) и 1227,6 МГц для второго (L2) канала. Для передачи служебной информации каждый спутник также формирует навигационное сообщение с частотой 50 Гц на основе данных, полученных от главного сегмента управления, которое содержит параметры отклонения тактового генератора спутника, эфемериды (точные орбитальные параметры) передающего спутника, поправки на распространение сигналов в ионосфере, спутниковый альманах (грубые орбитальные данные для созвездия в целом), признаки работоспособности спутника и другую служебную информацию.

Навигационные данные суммируются по модулю 2 со спутниковыми уникальными псевдослучайными кодами измерения дальности (ПСП-коды). Комбинированные данные модулируются несущей с помощью двоичной фазовой манипуляции (Binary Phase Shift Keying, BPSK). Это позволяет расширить спектр и улучшить энергетические характеристики сигнала.

В глобальной спутниковой системе GPS используются два уникальных для каждого спутника ПСП-кода: код грубого место-определения (Coarse/Acquisition Code, C/A-code) с тактовой частотой 1,023 МГц, изначально передававшийся только по каналу /.1, и код точного местоопределения (Precise code, P-code), передаваемый с тактовой частотой 10,23 МГц по каналам Z.1 и L2. Фаза первого кода сдвинута на 90° по отношению ко второму. Р-код был доступен для всего сообщества пользователей GPS до 31 января 1994 г. После чего для защиты авторизованных военных пользователей от намеренно созданных помех Р-код был зашифрован путем добавления неизвестного W-кода, а потому доступен только санкционированным пользователям и стал называться кодом защиты от несанкционированного доступа — Y-кодом (Anti-spoofing Code). С/А-код может служить ключом для вхождения в синхронизм с Y-кодом.

С/А-коды состоят из 1023-битовой последовательности, которая называется кодом Голда и повторяется каждую миллисекунду. Его небольшая длина позволяет быстро войти в синхронизм со спутником и при необходимости перейти к более длительному Р-коду, так как С/А- и Р-коды формируются на одной частоте и привязаны к одному временному отсчету. В GPS применяется кодовое разделение сигналов спутников, каждый из которых излучает свой навигационный код. Коды Голда минимизируют вероятность того, что приемник примет один код за другой, т.е. кросс-корреляцию. Длина Р-кода — 267 дней. Каждому GPS-спутнику выделяется уникальный семидневный сегмент этого кода, который перезагружается еженедельно в полночь с субботы на воскресенье.

К сигналу GPS, передаваемому на L2, со спутников, запущенных после 2004 г., добавлен еще один С/А-код, что позволяет широкому кругу пользователей эффективно бороться с ионосферной погрешностью и повышает точность определения местоположения автономного приемника до 8,5 м (при 95%-ной доступности).

Скорость передачи навигационной информации — 50 бит/с. Кадр состоит из пяти строк длительностью 6 с, строка разделяется на 10 слов, каждое слово содержит 30 бит информации. Навигационные данные разделяют на оперативную (эфемериды спутника, временные и частотные поправки, параметры ионосферной модели) и неоперативную информацию (данные альманаха). Полный альманах системы включает приблизительные координаты и работоспособность каждого спутника, и полностью передается 25 кадрами за 12,5 мин.

5.3. Спутниковая навигационная система ГЛОНАСС

5.3.1. Космический сегмент ГЛОНАСС

Созвездие ГЛОНАСС состоит из 24 геоцентрических спутников, равномерно распределенных в трех орбитальных плоскостях, разнесенных на 120° вокруг Земли. Угол наклона орбитальных плоскостей по отношению к экваториальной плоскости Земли составляет 64°. Орбитальные плоскости пронумерованы в порядке возрастания по направлению вращения Земли. Каждая плоскость содержит 8 спутников, распределенных по окружности через 45°, смещение между плоскостями составляет 15°. Местоположение спутников в орбитальных плоскостях нумеруется от 1 до 8 для плоскости I, от 9 до 16 — для плоскости II и от 17 до 24 —для плоскости III. Номера позиций увеличиваются против направления движения (рис. 5.7). За точку отсчета времени местоположения спутников ГЛОНАСС на орбите принята полночь по московскому времени 1 января 1983 г.

При высоте спутниковой орбиты 19 100 км номинальный период обращения спутника составляет 11 ч 15 мин 44 с. Трасса орбиты повторяется каждые 17 оборотов или 8 дней минус 32,53 мин. У орбиты созвездия ГЛОНАСС есть одно интересное свойство. За 24 часа минус 4,07 мин спутник делает 17/8 оборотов, т.е. два обращения вокруг Земли плюс 1/8 (или 45°). Таким образом, за 8 дней все спутники в одной орбитальной плоскости поочередно появляются в одном и том же месте с интервалом в 1 день минус 4,07 мин. Через 8 дней весь цикл повторяется. Кроме того, разнос в 45° в одной плоскости вкупе с разностью фаз в 15° между плоскостями означает, что за 8 дней все 24 спутника пересекают одно и то же местоположение.

Спутники системы ГЛОНАСС имеют возможность связываться со всеми спутниками в созвездии. Благодаря этим интеллектуальным механизмам на орбите уменьшается число операций управления по сравнению с GPS, а следовательно, требуется меньше ресурсов и упрощенная сеть управления, оптимальная для территории России.

5.3.2. Сегмент управления ГЛОНАСС

Сегмент управления ГЛОНАСС выполняет те же функции, что главная станция управления GPS, в него входят шесть элементов:

1) центр управления системой (г. Краснознаменск Московской области);

2) центральный  синхронизатор  (г.Щелково  Московской области);                                                                                                 

3) командные станции слежения (Санкт-Петербург, Воркута, 1 г. Щелково Московской области, Якутск, Енисейск, Улан-Удэ, Уссурийск и Петропавловск-Камчатский);                                             

4) навигационная система контроля фаз сигналов (г. Щелково Московской области);

5) квантово-оптическая станция (г. Комсомольск-на-Амуре);

6) аппаратура контроля навигационного поля (г. Щелково Московской области).

Центр управления системой распределяет и координирует работу всех системных функций. Определение и прогнозирование параметров движения спутников осуществляется центром управления на основе результатов измерений, поступающих от сети наземных станций слежения. Эфемериды созвездия определяются по результатам наблюдения за сигналами спутников и контролю навигационного поля в целом. На спутниках ГЛОНАСС также есть отражатель лазерного луча, позволяющий с помощью высокоточных лазерных систем непосредственно измерять дальность, параметры орбиты и осуществлять телеметрический контроль.

Поскольку сегмент управления расположен в России, в течение длительных периодов времени спутники становятся невидимыми для наземных станций, что является недостатком системы ГЛОНАСС.

5.3.3. Характеристики радиосигналов ГЛОНАСС

В ГЛОНАСС используется частотное разделение каналов, и номинальные значения рабочих частот навигационных радиосигналов в субполосах L1 и L2 определяются по следующим выражениям:

где к = -7, ..., О, 1, ..., 24 — номер канала несущей радиосигналов.

В настоящее время канал к = 0 не используется пользователями ГЛОНАСС. Он предназначен для тестирования резервных спутников ГЛОНАСС во время развертывания созвездия. Распределение каналов k=1, 2, ..., 24 между спутниками указывается в данных альманаха, передаваемых спутниками.

Для каждого спутника рабочие частоты сигналов в диапазоне L1 и L2 когерентны и формируются от одного эталона частоты:

Отношение рабочих частот несущей L1 и L2 каждого спутника —  f_k1/ f_k2 — составляет 9/7. Сдвиг несущих частот вследствие релятивистских эффектов может достигать ∆f/f=-4,36-10^-10 (реальные частоты остаются в диапазоне ±2∙10^-11 номинального значения).

Так как сигналы двух взаимоантиподных спутников, находящихся в одной орбитальной плоскости, не могут одновременно приниматься наземным приемником, то для таких спутников допускается применение одинаковых Несущих частот. Поэтому для полного созвездия из 24 спутников достаточно 12 несущих частот в каждом частотном диапазоне.

В ГЛОНАСС, как и в GPS, в качестве сигналов для измерения дальности передаются два ПСП-кода. В диапазоне Z.1 каждый спутник системы ГЛОНАСС излучает две несущие на одной и той же частоте, сдвинутые друг относительно друга по фазе на 90°: узкополосный навигационный сигнал стандартной точности и широкополосный сигнал высокой точности.

Узкополосный сигнал подвергается фазовой манипуляции на 180°. Модулирующий сигнал получают сложением по модулю 2 трех двоичных сигналов:

- дальномерного кода стандартной точности, передаваемого со скоростью 511 кбит/с;

- последовательности навигационных данных, передаваемых со скоростью 50 бит/с;

- меандрового колебания, передаваемого со скоростью 100 бит/с.

 Навигационное сообщение формируется в виде непрерывно следующих строк, каждая длительностью 2 с; 15 строк объединяются в кадр, а пять кадров — в суперкадр (2,5 мин). Каждая строка содержит в первой части (на интервале времени 1,7 с) 85 символов оперативных навигационных данных, которые включают информацию об эфемеридах передающего спутника, данные альманаха созвездия и другие системные параметры, требующиеся приемнику для принятия навигационного решения и планирования сеансов связи со спутниками. Во второй части передается метка времени, представляющая собой укороченную псевдослучайную последовательность, состоящую из 30 двоичных символов длительностью 10 мс. В составе каждого кадра передается полный объем оперативной информации и часть альманаха системы. Полный альманах передается во всем суперкадре и содержит данные о состоянии всех спутников системы, параметры орбит созвездия, поправку к временной шкале системы ГЛОНАСС.

Широкополосный навигационный радиосигнал 1602 МГц образуется посредством манипуляции фазы несущего колебания на 180° периодической двоичной последовательностью (ПСП2) с тактовой частотой F₂ = 5,11  МГц. Путем инвертирования ПСП2 передаются двоичные символы навигационных данных длительностью 20 мс.

Навигационный сигнал 12. (1246 МГц), излучаемый спутниками первой модификации, — однокомпонентный широкополосный шумоподобный сигнал, образуемый путем манипуляции фазы несущего колебания на 180° периодической двоичной ПСП2 (F₂ = 5,11 МГц) без инвертирования, т.е. без передачи навигационных данных. Навигационный сигнал L2, излучаемый спутниками второй модификации, содержит два одинаковых по мощности шумоподобных сигнала 1250 МГц в квадратуре:

-узкополосный   навигационный  сигнал   1250   МГц  с  ПСП1 (F₁ = 0,511 МГц, Г, = 1 мс);

-широкополосный навигационный сигнал 1250 МГц с ПСП2 (F₂ = 5,11 МГц) без передачи навигационных данных.

В настоящее время ведутся работы с целью изменения рабочих частот ГЛОНАСС во избежание помех от терминалов мобильных спутниковых систем, работающих в полосе 1610... 1625 МГц, и интерференции с полосой 1612 МГц, в которой работает астрономическое радиооборудование. Однако остается нерешенным ряд проблем, касающихся терминалов мобильной спутниковой связи, которые могут стать источником внеполосного побочного излучения.

С целью обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) спутники, запущенные до 1994 г., работают на частотных каналах к = 1 ...12, 22, 23 и 24, т.е. в нормальных условиях не используют полосу частот 1610,6... 1613,8 МГц (каналы ГЛОНАСС k=16, 17, 18, 19, 20), выделенную для радиоастрономических исследований. Частотные каналы к = 13, 14 и 21 реализуются в исключительных случаях. Спутники, запущенные до 1998 г., используют частотные каналы с 0 по 12. В дальнейшем спутники, уже находящиеся на орбите, будут использовать литеры частот k = 0.. .12, 22...24, а литеры частот 13, 14 и 21 будут иметь ограниченное применение: после запуска спутников на этапе ввода в эксплуатацию, а также при проведении профилактических работ. Литер к = 0 потребителями системы не используется и служит для проверки находящихся на орбите резервных спутников.

С началом запуска модернизированных спутников ГЛОНАСС-М начался заключительный этап решения вопроса ЭМС ГЛОНАСС. Новый спутник имеет увеличенный ресурс службы и излучает только на несущих частотах с литерами к=0..12. Наконец, на третьем этапе (ориентировочно с 2005 г.) спутники ГЛОНАСС-М будут использовать для излучения навигационных сигналов несущие частоты с к=-7..Л, а несущие частоты с номиналом 5 и 6 будут реализоваться только как технологические при работе спутников с наземным комплексом управления, а также ограниченный период времени при выводе спутника на орбиту.

5.4. Энергетический потенциал спутниковых навигационных систем

Энергоснабжение навигационных спутников осуществляется от солнечных батарей. Несмотря на внушительные массогабаритные характеристики, они не позволяют выделить для передатчика, излучающего непрерывно, значительную мощность. Для спутников GPS размах солнечных батарей — 19,3 м, площадь — 13,4 кв. м, мощность бортовой системы электропитания к концу срока эксплуатации — 1136 Вт. Уровень принимаемого сигнала в GPS и ГЛОНАСС можно оценить по выходной мощности антенны, расположенной на земной поверхности (табл. 5.1).

Мощность на земной поверхности определяется с учетом    I дальности передачи, эффективной изотропной излучаемой мощности (Effective Isotropic Radiated Power, EIRP), потерь на траектории передачи и реальной зоны приема антенны с круговой поляризацией и нулевым коэффициентом усиления относительно изотропного излучателя (0 dBic). Энергетический потенциал GPS показан в табл. 5.2. У спутниковой системы ГЛОНАСС аналогичные показатели.

5.5. Рабочие характеристики спутниковых навигационных систем

Поскольку работа спутниковых навигационных систем отличается от работы наземных радионавигационных систем, для описания их рабочих характеристик используется особый набор параметров, а именно, покрытие, доступность услуг, надежность обслуживания и точность.

Покрытие. Под покрытием понимается процент времени, в течение которого пользователь в любой точке мира может инициировать запрос на определение местоположения. Нарушения и сбои в работе спутников приводят к появлению временных пробелов в покрытии. В табл. 5.3 показаны данные в условиях, когда угол восхождения четырех спутников превышает 5°, a PDOP ≤. Представленные значения относятся к параметрам GPS. Аналогичные показатели были получены российскими исследователями для спутниковой системы ГЛОНАСС, они также зависят от количества спутников на орбите.

Доступность услуг. Под доступностью услуг (Service Availability, SA) понимается уменьшение области покрытия земной поверхности спутниковыми сигналами относительно номинальных условий из-за временного вывода спутников из эксплуатации (табл. 5.4). Доступность определяется как процент времени, в течение которого обеспечивается покрытие спутниками, передающими приемлемые (для формирования решения о местоположении) навигационные сигналы с заданной точностью.

Надежность обслуживания. Спутниковые навигационные системы обеспечивают глобальное покрытие, однако неисправности могут негативно сказываться на обслуживании большой территории земной поверхности. Под надежностью обслуживания понимается период времени, в течение которого мгновенно предсказываемая ошибка в горизонтальной плоскости не превышает заданный порог для заданной зоны покрытия. Надежность обслуживания (табл. 5.5) зависит от нескольких факторов, а именно, от частоты возникновения неисправностей и продолжительности сбоев в доставке навигационного сигнала.

Точность определения местоположения. Прогнозируемая точность — период времени, в течение которого разность между навигационным решением и известным контрольным значением не превышает заданного порога.

Относительная точность — период времени, в течение которого разность между навигационными решениями двух приемников в одной и той же точке и в одно и то же время не превышает допустимого отклонения. Точность перевода времени — период времени, в течение которого разность между унифицированным временем (UTC) и UTC обсерватории ВМС США не превышает допустимого отклонения.

В табл. 5.6 показана точность определения местоположения на земной поверхности. Поскольку ширина ДН антенны спутника GPS составляет примерно ±14,3°, пользователь может находиться на высоте около 2000 км, прежде чем потеряет спутниковый сигнал. В табл. 5.7 сравнивается потенциал ошибок по дальности для С/А-кода спутниковых систем GPS и ГЛОНАСС, от которого зависит точность определения местоположения в табл. 5.6. Поскольку отдельные компоненты ошибок являются статистически независимыми, в 95% случаев ошибки могут определяться по квадратному корню из суммы отдельных компонентов.

Последствия вывода спутников из эксплуатации. Доступность услуг во многом зависит от количества работающих спутников и их распределения. В нормальных условиях функционирования не более трех спутников системы GPS снимаются с работы за сутки. Чтобы обеспечить покрытие и доступность услуг в полном объеме, проценты, показанные в табл. 5.8, следует умножить на коэффициенты из табл. 5.3-5.5. Вопрос поддержки созвездия в рабочем состоянии в случае преждевременного вывода спутников из эксплуатации остается открытым.

5.6. Дифференциальные системы спутниковой навигации

На открытой местности в нормальных атмосферных условиях спутниковые навигационные системы позволяют пользователю определить свои координаты с точностью до 10 м, а время с точностью до 100 не. Однако для некоторых приложений, таких как навигация морских и воздушных судов, управление подвижными объектами в городских условиях, требуется значительно большая точность. Так, требования ИКАО к точности определения координат воздушного судна при заходе на посадку устанавливают величину в пределах 2 м (при доступности 0,999), а судовождение в портах и гаванях по требованиям ИМО должно осуществляться с точностью не хуже 3...8 м (при доступности 0,997). Такие требования  позволяют удовлетворить дифференциальные  системы спутниковой   навигации.   Эти   системы   корректируют  большую часть погрешностей измерений координат приемника, включая погрешности  распространения  навигационных  сигналов  (ионосферные, тропосферные,  многолучевости),  погрешности часов и эфемерид спутников при измерениях кода, доплеровской частоты и фазы.

Суть дифференциального режима можно пояснить на примере одного из вариантов дифференциальных систем, когда используются два приемника, которые одновременно измеряют сигналы от одинаковых спутников, что при совместной обработке позволяет существенно повысить точность измерений от СНС. Один из приемников принято называть базовым (или опорным), как правило, он стационарен, и его координаты известны с высокой точностью. Координаты другого неизвестны, но при совместном функционировании в дифференциальном режиме с учетом того, что некоторые составляющие погрешностей слабо изменяются во времени и пространстве, координаты приемника можно определить с точностью до сантиметров. Сравнивая собственные известные координаты с измеренными, базовый навигационный приемник формирует поправки, передающиеся приемнику, координаты которого необходимо корректировать. Точность, достигаемая с помощью дифференциального метода, в значительной степени зависит от расстояния между приемниками потребителей и базовым приемником. Чем меньше это расстояние, тем выше точность определения координат, поэтому зона обслуживания базового приемника обычно не превышает 500 км.

Другим примером дифференциальных систем может служить использование псевдоспутников, которые устанавливаются в точках с известными координатами и передают сигнал, аналогичный спутниковому навигационному сигналу. Такой подход позволяет существенно улучшить геометрические показатели точности определения координат.

Дифференциальные системы принято разделять на широкозонные, региональные и локальные.

К широкозонным относятся системы, использующие геостационарные спутники для передачи поправок потребителям. В настоящее время функционируют американская широкозонная система WAAS, европейская EGNOS и японская MSAS.

Региональные системы предназначены для навигационного обеспечения отдельных участков земной поверхности. Как правило, региональные системы используют в крупных городах, на транспортных магистралях и судоходных реках, в портах, на морских и океанских побережьях. Диаметр рабочей зоны региональной системы составляет от 500 до 2000 км. Она может иметь в своем составе одну или несколько опорных станций.

Большинство современных систем дифференциальной навигации являются локальными. Они используют только одну наземную станцию измерений и формирования дифференциальных поправок. Локальные системы имеют максимальный радиус действия от 50 до 220 км. Локальные системы разделяют по способу   применения: морские, авиационные и геодезические локальные  дифференциальные станции.                                                             

В дифференциальном режиме могут использоваться измерения как по навигационному коду, так и по фазовым измерениям   несущей. В последнем случае дальность определяется как произведение суммы целого числа длин волн на длину волны несущей.  

Расстояние, измеренное на основе несущей, гораздо точнее, чем   измерения по коду, так как разрешение метода соизмеримо с    длиной волны (для случая L1 GPS λ = 19 см), что значительно меньше кодового.                                                                                 

На точность определения местоположения в СНС существенно влияют следующие факторы:  

-задержки на распространение сигнала в ионосфере и тропосфере

снижение точности определения местоположения в гражданских приложениях посредством технологии селективного     доступа (SA)*;                                                                                

- сильное затухание и многолучевое распространение радиоволн в условиях городской застройки и в помещениях.             

Использование методов дифференциальной коррекции позволяет существенно снизить уровень этих ошибок.                                

5.7. Технология A-GPS

Один из способов дифференциальной коррекции координат, вычисленных по сигналам навигационных спутников, — рекомендованная для сетей GSM и универсальной наземной сети радиодоступа UTRAN технология A-GPS.                                                       

Основная идея технологии — развернуть наземную эталонную сеть GPS так, чтобы эталонные приемники уверенно принимали сигналы от видимых в районе действия наземных сетей подвижной связи общего пользования (PLMN) навигационных спутников и могли функционировать непрерывно. Наземная эталонная сеть навигационных приемников соединяется с PLMN. По запросу мобильной станции или PLMN на мобильной станции от наземной сети GPS передаются вспомогательные данные, которые позволяют улучшить характеристики встроенного в мобильную станцию GPS-приемника. При реализации технологии A-GPS достигаются следующие результаты:

- уменьшается период вхождения встроенного в мобильную станцию приемника GPS в активный режим;

- сокращается диапазон поиска сигнала по частоте и сокращается время измерений;

- повышается чувствительность приемника GPS,  вспомогательные данные позволяют нормально работать в условиях, когда соотношение сигнал/шум на входе мобильной станции не позволяет полноценно демодулировать сигналы GPS;

- снижается энергопотребление приемника GPS,  поскольку не требуется его непрерывная работа.

Опорные приемники собирают навигационные сообщения со всех спутников, видимых в данном сегменте сотовой сети. Наиболее важная информация (прежде всего, эфемериды и временные параметры спутников) впоследствии передается на встроенные в мобильную станцию приемники GPS уже посредством наземной сети подвижной связи. Наличие таких сведений значительно облегчает работу мобильного приемника GPS, поскольку демодуляция сигналов навигационных спутников происходит с относительно низкой скоростью, поэтому спутниковые сигналы должны быть достаточно мощными, что порой невозможно из-за неблагоприятных особенностей местности, когда, например, абонент находится в городском районе с высокой плотностью застройки, и для самостоятельного приема этих данных мобильному приемнику GPS требуется непрерывно находиться в зоне устойчивого приема спутникового сигнала от 18 до 30 с. В то же время для определения собственно псевдорасстояния приемнику GPS достаточно «видеть» спутник несколько секунд. Кроме того, без вспомогательной информации, приемнику GPS необходимо отслеживать около 12 кГц спектра для учета доплеровского сдвига частоты, а также весь период (1023 символа) псевдослучайной последовательности, используемой для формирования широкополосного шумоподобного сигнала на спутниках.

Важный показатель производительности навигационного приемника — время первого определения местоположения (Time-To-First-Fix, TTFF). Для автономного приемника время первого определения местоположения может составлять более 10 мин. Передавая вспомогательные данные через наземную систему подвижной связи, можно уменьшить TTFF приемника до нескольких секунд.

Дополнительно удешевить  мобильную станцию можно посредством полного переноса функции вычисления местоположения (PCF) на сеть доступа. Если PCF реализована в сети, то технологию называют «mobile-assisted». Если PCF реализуется самой    мобильной станцией, то технология называется «mobile-based». Для варианта «mobile-assisted» мобильная станция должна   дополнительно содержать антенну GPS, радиоблок и сигнальный  процессор (причем возможно использование уже существующего    в мобильной станции сигнального процессора). На мобильную  станцию передается небольшой объем данных актуальных в течение нескольких минут. Сервисный MLC получает от мобильной     станции определенный набор результатов измерений и самостоятельно выполняет необходимые вычисления.  В варианте «mobile-based» мобильная станция содержит также необходимые для окончательного определения координат вычислительные средства. Объем передаваемых на мобильную станцию вспомогательных данных в этом случае выше, хотя они актуальны в течение более продолжительного времени. В табл. 5.9      и 5.10 приведены данные, которые передаются и принимаются от     мобильной станции сетью доступа UTRAN при использовании      технологии A-GPS для обоих приведенных вариантов реализации   функции вычисления координат.  Технология A-GPS также ведет к усовершенствованию собственно методов приема и демодуляции радиосигналов от спутников GPS. На рис. 5.8 показана применяемая во встраиваемых в  мобильные станции GPS-приемниках фирмы SnapTrack технология повышения чувствительности. Наличие получаемых от сети данных о доплеровском сдвиге и осуществляемая посредством     PLMN жесткая синхронизация часов приемника позволяют выделять кадры навигационных сообщений и суммировать их, тем самым увеличивая уровень полезного сигнала.

Следует заметить, что системы GPS и ГЛОНАСС не единственные спутниковые навигационные системы. В настоящее время в Европе вводится в эксплуатацию система Galileo. Однако, к сожалению, технические стандарты на определение местоположения в сетях GSM и UMTS хотя и разрабатываются в Европе, пока не рассматривают возможности системы Galileo и, тем более, системы ГЛОНАСС, но возможно совместное использование этих систем в сотовых сетях. Некоторые отечественные системы определения местоположения для сетей GSM уже сейчас используют приемники ГЛОНАСС и будут рассмотрены ниже.

5.8. Отечественные системы определения

местоположения наземных подвижных объектов на основе спутниковых навигационных систем и систем сотовой связи

Как упоминалось в предыдущих параграфах, метод определения местоположения на основе использования спутниковых навигационных систем обладает следующими основными преимуществами:

- высокая точность;

-внедрение возможно без поддержки со стороны операторов

сетей сотовой связи.

Данному методу присущи недостатки:

- снижение точности при нахождении абонента в помещении; -существенное усложнение конструкции, и, как следствие,

громоздкость и дороговизна абонентских терминалов. Анализ перечисленных преимуществ и недостатков позволил вделать вывод о том, что данный метод хорошо подходит для применения в системах диспетчеризации и мониторинга подвижных объектов, в интеллектуальных транспортных системах и т.п. Действительно, для таких систем громоздкость и дороговизна телематического модуля не имеют существенного значения. Кроме того, подвижные объекты, в частности, автомобильный транспорт, как правило, находятся в зонах уверенного приема сигналов спутниковых систем навигации. Необходимость внедрения таких систем существует уже сегодня, в то время как текущий уровень внедрения систем определения местоположения операторами сотовой связи пока остается низким. Тем более, что точность, предоставляемая методами, использующими только имеющуюся в сети сотовой связи информацию, пока не вписывается в требования для систем диспетчеризации и мониторинга автотранспорта.

В силу данных причин в последнее время начали активно развиваться различные системы диспетчеризации и мониторинга подвижных объектов,  системы  охраны  автотранспорта  и  т.п., реализующие комбинацию технологий спутниковых навигационных систем и систем сотовой связи. В них СНС используется для определения координат подвижных объектов, а сеть сотовой связи стандарта GSM — для информационного взаимодействия телематических модулей, расположенных на подвижных объектах, и центра диспетчеризации и мониторинга. В России пользуются популярностью следующие основные системы:

- «Алмаз» (компания «Новые Технологии Телематики»);

- «NEXO» (компания «RussGPS»);

- «WebLocator» (компания «Race Communications»).

Имеются также и другие подобные системы, в том числе зарубежные.

Перечисленные  системы  обладают следующими функциональными возможностями (на примере системы «Алмаз»):

- отслеживание местоположения контролируемых подвижных объектов на электронной карте местности;

- контроль и охрана автотранспорта и других подвижных объектов;

- контроль состояния датчиков объекта, подключенных к терминальным модулям, и ситуаций на объектах;

- обнаружение внештатных ситуаций на контролируемых объектах;

- управление исполнительными устройствами объектов при возникновении внештатных ситуаций;

- документирование и архивирование информации от объектов контроля и центра диспетчеризации и мониторинга;

- организация надежных каналов связи между центром диспетчеризации и мониторинга и объектами контроля.

В качестве телематических модулей в перечисленных системах используются либо изготавливаемые серийно измерительно-исполнительные устройства в комбинации с серийно выпускаемыми специализированными терминалами стандарта GSM (например, Siemens M20, Siemens TC35, Nokia 30, Морион и др.), либо телематические модули собственной разработки, такие как «Топаз-201» (компания «Новые Технологии Телематики»).

Телематические модули собственной разработки и специализированные модули GSM/GPS, как правило, предоставляют большую функциональность. В частности, терминальные модули семейства «Топаз-201», предназначенные для установки на подвижных объектах, позволяют:

- определять местоположение, скорость и направление движения подвижных бъектов;

- следить за перемещением объекта по заданным географическим зонам и/или прохождением контрольных точек маршрута;

- передавать в центр диспетчеризации и мониторинга координаты объекта и другую телеметрическую информацию с заданной регулярностью и/или по запросу из центра, а также при возникновении угрозы, при пересечении границы одной из заданных географических зон и при нарушении времени прохождения контрольных точек;

- обрабатывать сигналы охранной системы и других датчиков инициализации   внештатной   ситуации,   установленных   на подвижном объекте (датчики наличия газа, датчики контроля напряжения питания, дымовые и пожарные известители, датчики несанкционированного доступа, кнопок «Тревога», «Вызов диспетчера» и т.д. — всего 8 или 16 датчиков с дискретными выходами и 2 датчика с аналоговыми выходами);

- передавать в центр диспетчеризации и мониторинга сигнал тревоги при срабатывании охранной системы или при попытке воздействия на терминальное устройство, а также сигналы оперативного оповещения персонала центра диспетчеризации и мониторинга о возникновении других внештатных ситуаций;

- передавать по событию SMS-сообщение заданным абонентам сети сотовой связи;

- устанавливать двустороннюю  голосовую  связь с  центром диспетчеризации и мониторинга и обеспечивать скрытый голосовой контроль из центра при посылке водителем сигнала «Тревога»;

- воздействовать на системы объекта (двигатель, система запуска двигателя, тормозная система и т. п.) и управлять 8-ю (или 16-ю) внешними исполнительными устройствами (задвижками, системами пожаротушения, блокировками) по командам из центра диспетчеризации и мониторинга или в автономном режиме;

- при отсутствии связи с центром диспетчеризации и мониторинга управлять исполнительными устройствами автоматически по заданной программе;

- регистрировать в энергонезависимой памяти данных («черный ящик») историю движения объекта, состояния датчиков и исполнительных устройств, событий, команд операторов центра диспетчеризации и мониторинга;

- предоставлять возможность считывания содержимого «черного ящика» по эфиру или через встроенный интерфейс RS-232;

- предоставлять возможность организации мобильной системы контроля стационарных объектов.

Рассмотрение работы систем GSM/GPS проведем на примере системы диспетчеризации и мониторинга подвижных и стационарных объектов «Алмаз», которая отличается от аналогов более высокой «интеллектуальностью» терминальных модулей.

5.9. Система диспетчеризации и мониторинга

подвижных и стационарных объектов «Алмаз»

Система «Алмаз» представляет собой сеть терминальных устройств (модулей), расположенных на подвижных и стационарных объектах, и центра диспетчеризации и мониторинга, куда посредством службы SMS сети GSM поступает информация от удаленных терминальных модулей для накопления в базах данных, последующей обработки и отображения. Структурная схема системы представлена на рис. 5.9.

В состав терминальных модулей входит приемник спутниковой системы навигации GPS. С помощью приемника GPS определяется местоположение модулей. Информация о местоположении модуля (а следовательно, и объекта, на котором он установлен) передается в центр диспетчеризации и мониторинга посредством SMS-сообщений. Терминальный модуль обрабатывает сигналы от подключенных к нему дискретных и аналоговых датчиков и в случае сигнализации передает в центр диспетчеризации и мониторинга заранее запрограммированное SMS-сообщение. При анализе сигналов от аналоговых датчиков модуль может передавать SMS-сообщение в случае выхода аналоговой величины (напряжения) за пределы заранее установленного диапазона.

 Терминальные модули, располагаемые на стационарных объектах, отличаются от аналогичных, устанавливаемых на подвижных объектах, отсутствием в их составе GPS-приемников.

Данные о местоположении подвижных объектов могут отображаться на электронной карте центра диспетчеризации и мониторинга в виде точки или траектории маршрута движения. Другие данные, получаемые центром диспетчеризации и мониторинга

 от терминальных модулей, накапливаются, подвергаются статистической обработке и архивируются. Оператор центра диспетчеризации и мониторинга может как контролировать различные характеристики подвижных и стационарных объектов в реальном времени, так и применять к накопленным данным различные инструменты анализа и обработки информации.

Из центра диспетчеризации и мониторинга на терминальные модули могут также передаваться различные команды. Терминальный модуль может управлять различными исполнительными устройствами стационарных и подвижных объектов. Например, активировать иммобилайзер автомобиля или включить «ревун» для оповещения об аварии на объекте.

Для применения в системе диспетчеризации и мониторинга стационарных и подвижных объектов «Алмаз» создано семейство терминальных модулей «Топаз-201». Обобщенная функциональная схема модуля семейства «Топаз» приведена на рис. 5.10. Терминальный модуль содержит блоки аудиоинтерфейса (2) и(3) (микрофон и телефон), подключенные к приемопередатчику GSM (4) с антенной, приемник спутниковой системы навигации GPS или ГЛОНАСС (5), блок сопряжения с датчиками первичной информации (6) (например, охранными датчиками), блок обработки аналоговых сигналов (7), блок сопряжения с исполнительными устройствами (8), универсальный иммобилайзер (9) подвижного объекта (например, блокиратор системы управления впрыском топлива) и микроконтроллер (10).

Роль приемопередатчика выполняет встраиваемая мобильная станция стандарта GSM Siemens Module M20, имеющая функции передачи данных и SMS-сообщений.

Приемник системы GPS может быть выполнен на базе комплектов микросхем Trimble Lassen LP или Rockwell Jupiter LP.

В качестве блоков сопряжения с датчиками первичной информации, обработки аналоговых сигналов и сопряжения с исполнительными устройствами используются узлы типа АЦП и ЦАП или другие узлы цифро-аналоговой техники.

Двунаправленной шиной микроконтроллера (1) объединены приемопередатчик, приемник, блоки (6-8) и иммобилайзер, а также блоки питания от сети переменного тока 220 В (11) и бортовой сети подвижного объекта (12) (как правило, от сети автомобиля 12 В), относящиеся к основному блоку питания, и блок автономного резервного питания (13).

Микроконтроллер обеспечивает обмен информацией с мобильной станцией сотовой связи стандарта GSM — приемопередатчиком, приемником навигационной системы GPS, блоками сопряжения с датчиками первичной информации, обработки аналоговых сигналов и сопряжения с исполнительными устройствами и с блоками аудиоинтерфейса.

Микроконтроллер выполнен на базе двух 8-разрядных микроконтроллеров AT MEGA 103 фирмы ATMEL. Один из двух микроконтроллеров принимает и обрабатывает информацию, поступающую от GSM-приемопередатчика, подготавливает информацию для передачи и управляет работой всего устройства в целом. Второй микроконтроллер выполняет следующие функции:

- обрабатывает   информацию,   поступающую  от   приемника спутниковой системы навигации GPS;

-обрабатывает информацию от внешних дискретных и аналоговых датчиков;

- формирует и передает команды на внешние исполнительные устройства и иммобилайзер;

- осуществляет контроль за работой источников питания. В состав микроконтроллера также входят:

- оперативное запоминающее устройство емкостью 32 кбайт, предназначенное для хранения оперативных данных для работы программ микроконтроллеров;

- энергонезависимое  запоминающее  устройство  (флэш-память) емкостью 4 Мбайт, предназначенное для хранения параметров режимов работы терминального модуля и фиксации журнала работы терминального модуля.

В журнал работы терминального модуля записываются все команды и сообщения, принимаемые терминальным модулем из центра диспетчеризации и мониторинга, а также данные, передаваемые терминальным модулем в центр диспетчеризации и мониторинга. Кроме того, в журнале работы с заданной периодичностью записываются координаты маршрута движения подвижного объекта, на котором установлен терминальный модуль .

Микроконтроллер может работать в двух основных режимах: в режиме полного энергопотребления и в режиме пониженного энергопотребления («спящем» режиме).

В каждом терминальном модуле, установленном на объектах, обслуживаемых системой «Алмаз», микроконтроллер передает и получает по двунаправленной шине сигналы управления и данные от подключенных к этой шине указанных выше составных частей терминального модуля. Работа микроконтроллера происходит в соответствии с записанной в его память микропрограммой.

Приемник GPS или ГЛОНАСС принимает сигналы от спутников соответствующей спутниковой системы навигации и вычисляет один раз в секунду координаты объекта, на котором установлен терминальный модуль. Данные о координатах либо накапливаются в памяти микроконтроллера, либо с заданной его программой периодичностью передаются посредством приемопередатчика стандарта GSM в центр диспетчеризации и мониторинга системы «Алмаз». При выходе подвижного объекта из зоны обслуживания сети GSM полученные координаты сохраняются в памяти микроконтроллера для последующей передачи, либо сохраняются в журнале работы терминального модуля.  

Через блок сопряжения терминальный модуль получает сигналы от датчиков, например, охранной сигнализации объекта. При срабатывании любого из датчиков, соответствующие сигналы поступают через блок на двунаправленную шину микроконтроллера, и после обработки в нем сообщение передается через приемопередатчик стандарта GSM посредством службы SMS сети GSM в центр диспетчеризации и мониторинга.

С помощью блока обработки аналоговых сигналов производится контроль аналоговых параметров объекта, при этом при превышении контролируемыми напряжениями установленных заранее пороговых величин или выходе значений данных напряжений за диапазон их допустимых значений блок выдает соответствующий сигнал по шине на микроконтроллер, который затем передает сообщение через приемопередатчик посредством службы SMS сети GSM в  центр диспетчеризации и мониторинга.

С помощью блока сопряжения с исполнительными устройствами микроконтроллер может управлять 16-ю исполнительными устройствами объекта, на котором установлен терминальный модуль, в том числе устройствами его охраны. Управляющие воздействия осуществляются по командам, полученным через приемопередатчик посредством службы SMS сети GSM из центра диспетчеризации и мониторинга системы «Алмаз».

С помощью блоков аудиоинтерфейса производится обмен речевыми сообщениями персонала объекта, на котором установлен модуль, с оператором центра диспетчеризации и мониторинга.  При этом речевая связь осуществляется непосредственно через приемопередатчик стандарта GSM.                                                   

Блоки  питания  обеспечивают  непрерывную  работу терминального модуля. Работа этих блоков также управляется микроконтроллером. При нарушении работы основного блока, например, при отключении сети питания объекта, на котором установлен терминальный модуль, питание терминального модуля осуществляется от резервного блока. При этом микроконтроллер управляет зарядом и разрядом аккумуляторной батареи и в зависимости от уровня заряда батареи микроконтроллер может изменять периодичность подачи сообщений в центр диспетчеризации

и мониторинга по запрограммированному алгоритму, продлевая длительность автономной работы терминального модуля от резервного блока питания.

Серийно выпускаемые терминальные модули «Топаз-201» (рис. 5.11) поддерживают режим передачи данных по трафиковым каналам сети GSM, режим передачи данных по каналам сигнализации (SMS-передача), пакетный режим передачи данных (GPRS) и режим голосовой связи. Основным является режим передачи данных посредством SMS-сообщений. Серийные изделия обеспечивают определение навигационных характеристик объекта (координаты, скорость, направление движения, время) по сигналам глобальной спутниковой радионавигационной системы GPS.

Терминальные модули «Топаз-201» имеют следующие интерфейсы:

- 8 пар дискретных входов типа «токовая петля» с оптической развязкой (INx+ , INx—);

- 8 дискретных выходов типа «открытый коллектор» (OUTx);

- 2 аналоговых входа (AIN1, AIN2);

- интерфейс информационного обмена RS-232;

- интерфейс информационного обмена CAN;

- аудиоинтерфейс для подключения электретного микрофона, телефона, микрофонного входа и телефонного выхода внешнего модема;

- вход электропитания от основного источника питания;

- вход резервного электропитания от дополнительного источника питания (аккумулятора).

Модули рассчитаны на электропитание от автомобильной электросети номинальным напряжением +12 В или +24 В. При отключении основного источника питания или падении напряжения питания ниже допустимого предела, обеспечивается бесперебойный переход на питание от резервного источника. В модулях обеспечивается защита цепи питания и дискретных выходов от воздействия электрошокера.

Программно-технический комплекс центра диспетчеризации и мониторинга представляет собой комплекс информационных, программно-технических и технологических средств, обеспечивающих сбор, анализ и накопление сведений об изменении состояния контролируемых объектов, выработку и передачу управляющих воздействий, соответствующих возникшей ситуации. При разработке указанного программно-технического комплекса ставились следующие основные задачи:

- обеспечить постоянную высокую готовность и отказоустойчивость при поддержке работоспособности телематических систем различного функционального назначения, обеспечивающих контроль и управление подвижными и стационарными объектами;

- обеспечить масштабируемость системы, т. е. представить    единый модельный ряд унифицированных функционально   законченных комплексов различной емкости и мощности (по числу одновременно обслуживаемых объектов), стоимости, отличающихся набором выполняемых функций и другими   характеристиками, связанными с особенностями конкретного применения;                                                                          

- организовать эффективное взаимодействие с сетью подвижной сотовой связи стандарта GSM с учетом предыдущих двух требований.

Программно-техническое обеспечение центра диспетчеризации и мониторинга представляет собой совокупность автоматизированных рабочих мест, средств организации и ведения массивов информации, средств отображения информации коллективного и индивидуального пользования, объединенных в составе локальной или распределенной вычислительной сети.

Автоматизированные рабочие места построены на базе ПЭВМ под управлением ОС, начиная с Windows 98/NT. Для приема и передачи SMS-сообщений используются фиксированные сотовые терминалы стандарта GSM, например, Siemens TC50 или Nokia 32. На рабочих местах и серверах центра диспетчеризации и мониторинга используются серийно выпускаемые пакеты прикладного программного обеспечения совместно с программным обеспечением собственной разработки.

Программно-технический комплекс центра диспетчеризации и мониторинга включает следующие подсистемы:

- подсистему обмена информацией с терминальными модулями по сети сотовой связи (посредством упомянутых фиксированных сотовых терминалов стандарта GSM) и непосредственно через сервис-центр службы SMS сети GSM; данная подсистема обеспечивает прием пакетов данных от терминальных модулей, декодирование и проверку, а также передачу терминальным модулям пакетов данных и установление речевых соединений с объектами контроля. Программное обеспечение центра диспетчеризации и мониторинга позволяет принимать и обрабатывать информацию не только от терминальных модулей «Топаз-201», но и от терминальных устройств других производителей;

- подсистему анализа, накопления и обработки данных; эта подсистема отвечает за архивирование пакетов данных, выполняет семантический анализ принятых сообщений и обеспечивает реализацию действий, заданных для определенной ситуации;

- подсистему отображения, которая обеспечивает вывод информации о местоположении, маршрутах движения объектов на детальной или обзорной электронной карте и в текстовом виде; подсистема отображения также отвечает за текстовое и речевое оповещение об изменении состояния контролируемых объектов;

- подсистему поиска информации, которая обеспечивает определение района местоположения контролируемых объектов и предоставление оператору в текстовом виде или на электронной карте информации о передвижении и состоянии объектов контроля;

- подсистему планирования маршрутов; данная подсистема отвечает за формирование описания маршрута или контрольных зон для каждого контролируемого объекта; задаются координаты отрезков маршрута, контрольных зон, описание участков маршрута,   требующих особой реакции, а также временной график следования по маршруту;

- информационно-справочную подсистему, которая обеспечивает получение справок о контролируемых объектах, пользователях, ситуациях, маршрутах движения и местоположении за требуемый период времени; к данной подсистеме относится функция контроля доступа пользователей к процедурам и данным телематической системы;

- подсистему установки параметров функционирования, которая  отвечает за  настройку программного  и  аппаратного обеспечения системы диспетчеризации и мониторинга;

- подсистему технологического обеспечения; данная подсистема предназначена для осуществления мероприятий по обеспечению защиты информации, выполнения технологических операций по актуализации, настройке, копированию и восстановлении базы данных центра диспетчеризации и мониторинга.

В телематической системе используются электронные карты, подготовленные для визуального восприятия и имеющие топонимическую и адресную информацию, а также обзорные электронные карты, совпадающие по географическим или метрическим координатам географических объектов с основными электронными картами. В состав электронных карт включены слои, содержащие маршруты объектов, критические зоны для определения особых ситуаций, информацию, идентифицирующую районы города.

Функциональная схема центра диспетчеризации и мониторинга приведена на рис. 5.12. Программно-технический комплекс  центра состоит из автоматизированных рабочих мест операторов (1 — 1, ..., 1-N), объединенных в локальную или распределенную вычислительную сеть, соединенную с основным (2) и резервным (3) серверами, которые, в свою очередь, соединены в сеть с телекоммуникационными серверами (4-6).

Телекоммуникационный сервер (4) отвечает за взаимодействие с предназначенными для приема/отправки SMS-сообщений фиксированными терминалами (7) стандарта GSM. Телекоммуникационный сервер (5) осуществляет непосредственное взаимодействие с сервис-центром службы SMS сети GSM по выделенной линии. Телекоммуникационный сервер (6) отвечает за взаимодействие с сетью Интернет, в частности, за обеспечение через Интернет резервного соединения с сервис-центром службы SMS сети GSM. В крупных телематических системах сервер (4) не используется или используется для резервирования работы серверов (5) и (6).

Работа центра диспетчеризации и мониторинга заключается в приеме, анализе, обработке и накоплении сообщений от терминальных модулей в телекоммуникационных серверах с последующей передачей через них же необходимых команд. При этом основной и резервный серверы центра обеспечивают управление работой центра, ведение баз данных, обработку получаемой от терминальных модулей информации о местоположении, подготовку электронных карт, ведение базы данных географической информации, распределение информационных потоков между автоматизированными рабочими местами, отображение местоположения контролируемых объектов на электронных картах на экранах мониторов этих рабочих мест, формирование команд и сообщений, передаваемых затем терминальным модулям системы, распределение передаваемой информации по телекоммуникационным серверам. При работе центра автоматизированные рабочие места операторов используются для обеспечения наблюдения и обслуживания каждым оператором соответствующей части контролируемых объектов. При этом операторы передают сообщения объектам и при необходимости устанавливают с объектом двустороннюю речевую связь.

Центр диспетчеризации и мониторинга обеспечивает мониторинг всех терминальных модулей, подключенных к системе, регулярно опрашивает терминальные модули на предмет их жизнеспособности, накапливает и обрабатывает информацию, поступающую от терминальных модулей, производит своевременное оповещение операторов о возникновении внештатных ситуаций, при необходимости обеспечивает речевую связь между оператором центра и объектом. На экране персонального компьютера оператора может отображаться карта местности и на ней местоположение объекта или траектория его движения и выводится информационное обеспечение операторов при возникновении внештатных ситуаций (мнемосхемы объектов контроля, расположение на карте, рекомендации по реагированию на ситуацию и т.п.).

 В базах данных диспетчерского центра накапливается информация обо всех событиях, происходящих во время эксплуатации системы. Накопленная информация по желанию операторов может подвергаться статистической обработке. Программное обеспечение диспетчерского центра позволяет запрашивать информацию, накопленную в базах данных, и выводить ее в удобной форме.

Приведем различные варианты применения наиболее интересных возможностей телематической системы «Алмаз».

Например, в задачах по управлению парком транспортных средств крайне привлекательна существующая в системе «Алмаз» функция слежения за перемещением объекта по заданным географическим зонам:

- оператор центра диспетчеризации  и  мониторинга задает для каждого транспортного средства контрольные зоны (круговые или прямоугольные) с указанием времени их прохождения;

- информация о контрольных зонах пересылается посредством SMS-сообщений в соответствующий терминальный модуль и сохраняется в его энергонезависимой памяти;

- терминальный модуль отслеживает свое местоположение относительно заданных контрольных зон и в случае пересечения границы одной из них или в случае нарушения графика движения посылает SMS-сообщение в центр диспетчеризации и мониторинга.

В задачах по управлению парком транспортных средств также находит применения имеющаяся в терминальных модулях «Топаз-201» функция регистрации событий в энергонезависимой памяти данных («черный ящик»):

- маршрут  следования  транспортного  средства,   состояние контролируемых датчиков и исполнительных устройств, команды оператора центра диспетчеризации и мониторинга и действия водителя фиксируются в энергонезависимой памяти терминального модуля;

- оператор центра диспетчеризации и мониторинга считывает содержимое «черного ящика» посредством SMS-сообщений, в режиме передачи данных или с помощью встроенного в терминальный   модуль  интерфейса   RS-232  по  прибытии транспортного средства на базу;

-терминальный модуль «Топаз-201» обеспечивает поиск и передачу содержимого «черного ящика» по заданному критерию (например, может быть запрошен фрагмент маршрута движения за указанный промежуток времени).

В задачах охраны и поиска угнанных автомобилей интересна совместная работа терминального модуля «Топаз-201» с системой охранной сигнализации автомобиля:

- терминальный модуль подключается одной из входных линий к выходу состояния устройства охранной сигнализации;

- программируется состав входных датчиков терминального модуля, контролируемых в режиме постановки системы сигнализации на охрану;

- в случае нарушения нормального состояния одного из таких датчиков в режиме охраны терминальный модуль передает тревожное сообщение в центр диспетчеризации и  мониторинга;

- при движении угнанного автомобиля оператор центра диспетчеризации  и  мониторинга  может послать команду на включение световой и звуковой сигнализации или команду на активацию останова двигателя автомобиля, например, путем  формирования  на  исполнительном  выходе терминального модуля сложного сигнала, имитирующего возникновение неисправности в двигателе.

Глава 6

Особенности реализации технологий

определения местоположения

6.1. Особенности передачи информации

в системах определения местоположения

Для передачи информации о местоположении MS или управляющих сигналов между центром диспетчеризации и мониторинга и телематическими модулями в рассмотренных системах используются различные ресурсы сетей сотовой связи:

- голосовые соединения;

- SMS-сообщения;

 - режим передачи данных с коммутацией каналов;

- режим пакетной передачи данных.

Основным средством передачи информации в большинстве действующих систем определения местоположения, мониторинга и диспетчеризации подвижных и стационарных объектов являются SMS-сообщения. Такой выбор обусловлен следующими основными причинами:

- передача SMS не требует выделения каналов трафика, используемых, например, для передачи речи;

-объем SMS-сообщения — 160 буквенно-цифровых знаков (140 октетов) — вполне достаточен для передачи характерных для телематических систем объемов информации;

- использование SMS более предпочтительно для абонента по сравнению с передачей речи или данных по финансовым соображениям;

- служба SMS реализована в подавляющем большинстве сетей GSM и действует на всей территории покрытия как базовый сервис в отличие от служб пакетной передачи данных GPRS или EDGE, которые пока предлагаются только в крупных городах как дополнительная услуга с негарантированным качеством;

- прием и отправка SMS-сообщений мобильной станцией возможна практически в любые моменты времени (во время разговора, во время сеанса передачи данных), исключение составляют лишь состояния при хендовере и при начале или завершении вызова, возможны одновременный прием и отправление SMS-сообщений мобильной станцией;

- для приема и передачи SMS-сообщений на практике требуется меньший уровень сигнала базовой станции, что увеличивает в этом смысле зону действия сети сотовой связи.

Однако основным препятствием на пути применения службы SMS в системах определения местоположения является негарантированное время доставки SMS-сообщений, которое в действующих сетях GSM может составлять от нескольких секунд до нескольких минут, а в ряде случаев сообщения могут быть вообще потеряны. При стандартной неуправляемой асинхронной передаче SMS-сообщений от мобильных станций (терминальных модулей систем диспетчеризации и мониторинга подвижных объектов) в центр диспетчеризации и мониторинга нельзя обеспечить гарантированную доставку телематических сообщений в экстренных случаях в условиях повышенной (может быть локальной) нагрузки сети сотовой связи. При этом особенно опасно то, что указанные ситуации могут возникнуть при вызове служб спасения, скорой помощи, пожарной охраны, например, в ходе культурно-массовых мероприятий, в праздничные дни, в автомобильных пробках, когда нагрузка сетей сотовой связи значительно возрастает.

Таким образом, остро стоит задача обеспечения надежной передачи выделенной категории SMS-сообщений и снижения зависимости времени передачи SMS-сообщений от уровня нагрузки, создаваемой другими абонентами сети сотовой связи.

Рассмотрим факторы, влияющие на время доставки SMS-сообщений. Для количественного определения временных характеристик процесса доставки SMS-сообщений в сети GSM необходимо рассмотреть архитектуру службы SMS в сети GSM и процесс передачи SMS-сообщений.

Базовая архитектура службы SMS в GSM приведена на рис. 6.1 Для передачи SMS-сообщений в GSM используются следующие элементы:

- мобильная станция с SIM-картой;

- центр  коммутации  мобильной  связи   (MSC),   если  обмен SMS-сообщениями ведется в режиме коммутации каналов,

или сервисный узел поддержки услуг GPRS (SGSN), если для передачи SMS используется сеть GPRS*;

SMS-GMSC (Gateway MSC For Short Message Service) — шлюз MSC, ответственный за прием SMS-сообщений от сервис-центра (SC); SMS-GMSC взаимодействует с домашним регистром (HLR) для получения маршрутной и другой специфической для службы SMS-информации, а также доставляет SMS-сообщение до визитного центра коммутации мобильной связи (Visited Mobile Switching Centre, VMSC) мобильной станции получателя; при доставке SMS-сообщений от мобильной станции сервис-центру задействуется межсетевой шлюз MSC для службы коротких сообщений (Inter-working MSC For Short Message Service, SMS-IWMSC);

- домашний регистр (HLR) для передачи SMS-GMSC/SMS-IWMSC маршрутной и другой специфической для службы SMS информации;

- сервис-центр (SC), который должен принимать сообщения от мобильной станции, передавать в наземную сеть подвижной связи общего пользования (PLMN) отчеты о получении SMS, а также передавать сообщения на мобильную станцию до получения отчета о получении от PLMN (или до истечения времени жизни сообщений);

- объект системы коротких сообщений (Short Message Entity, SME) — внешний для PLMN участник обмена SMS, например, центр мониторинга телематической системы или система электронной почты.

Механизмы работы сервис-центра и его взаимодействия с системой коротких сообщений SME не регламентируются спецификациями GSM. Производители и операторы самостоятельно определяют технологию обслуживания SMS в SC и интерфейс, используемый для взаимодействия с SME.

Поставляемые на рынок сервисные центры поддерживают следующие протоколы взаимодействия с SME: SNPP, SMPP, ТАР, SMTP, HTTP и др. На транспортном уровне, как правило, применяется TCP/IP. Большинство сервисных центров позволяют обеспечивать высокую производительность интерфейса SC-SME, ограниченную только общей производительностью сервисного центра и пропускной способностью интерфейса. Практика эксплуатации сетей GSM в России показывает, что сервисный центр не является узким местом в работе службы SMS, если оператор своевременно производит модернизацию программного и аппаратного обеспечения сервисного центра. Рассмотрим подробнее интерфейсы между остальными элементами службы SMS (см. рис. 6.1).

Спецификации GSM рекомендуют применение на интерфейсе между шлюзом SMS-GMSC/SMS-IWMSC и сервисным центром (интерфейс 1) либо полного стека протоколов модели OSI (Х.200), либо непосредственно протокола Х.213, либо системы сигнализации № 7 с использованием расширения SMS-MAP (Mobile Application Part). При передаче сообщений на мобильную станцию сервисный центр посылает сообщения шлюзу SMS-GMSC. Последний взаимодействует с домашним регистром HLR для получения информации о маршрутизации, необходимой для перенаправления сообщений, и пересылает сообщения соответствующему центру коммутации подвижной связи (при необходимости, сообщения проходят транзитом через другие сети). При передаче сообщений от мобильной станции принявший сообщение центр коммутации MSC, зная переданный мобильной станцией номер сервисного центра, направляет сообщение на межсетевой шлюз SMS-IWMSC в той наземной сети подвижной связи PLMN, к которой принадлежит сервисный центр.

Для взаимодействия SMS-GMSC/SMS-IWMSC с домашним регистром HLR (интерфейс 2, рис. 6.1) используется система сигнализации № 7.

 Если шлюз SMS-GMSC/SMS-IWMSC и центр коммутации подвижной связи принадлежат одной наземной сети PLMN, то для их взаимодействия (интерфейс 3, рис. 6.1) и для передачи сообщений может использоваться либо PSPDN, либо система сигнализации № 7. Если эти модули расположены в разных сетях PLMN, то для взаимодействия и передачи сообщений используется система сигнализации № 7. Для взаимодействия центра коммутации MSC с визитным регистром VLR (интерфейс 4, рис. 6.1) также используется система сигнализации № 7.

Для взаимодействия и передачи сообщений между центром коммутации и мобильной станцией (интерфейс 5, рис. 6.1) используются каналы SDCCH и SACCH. Более подробно этот интерфейс будет рассмотрен ниже.

 С точки зрения пользователей телематических услуг, наиболее важным критерием оценки качества сервиса является время доставки сообщений с информацией о местоположении мобильной станции. Ниже показано, что мобильная станция в состоянии принять лишь около 10 SMS-сообщений в минуту, поэтому подключение центра мониторинга к сети посредством одного или нескольких GSM-модемов приемлемо только для небольших телематических систем. Центр мониторинга целесообразнее подключать непосредственно к сервисному центру прямым интерфейсом, тогда проблем на этом участке телематической системы практически не возникает. В этой связи рассмотрим подробнее процесс доставки сообщений от мобильной станции к сервисному центру.

На рис. 6.2 показана процедура успешной передачи SMS-co-общения от мобильной станции в сервис-центр. Передача сообщения включает следующие этапы:

- передача сообщения с мобильной станции на MSC;

- операция sendlnfoForMO-SMS, которая подразумевает запрос от MSC к VLR о возможности доставки SMS (доставка может быть невозможна по причине активации некоторых дополнительных услуг или использования режима ограничения услуг); в подтверждение возможности доставки сообщения визитный регистр возвращает отклик, содержащий номер MSISDN мобильной станции отправителя; отклик визитного регистра передается сервисному центру;

- операция forwardShortMessage — передача SMS от MSC к шлюзу SMS-IWMSC; эта операция применяется, когда между MSC и сервисным центром нет прямого соединения; операция работает в связке с передачей сообщения со шлюза SMS-IWMSC на сервисный центр;

- передача сообщения со шлюза SMS-IWMSC на сервисный центр;

- после успешного получения сообщения сервисным центром на мобильную станцию передается отчет о доставке.

Следует обратить внимание, что показанный на рис. 6.2 отчет о доставке сообщения не связан с тем отчетом о доставке сообщения, который в виде отдельного SMS по запросу абонента передает сервисный центр после успешной доставки сообщения конечному получателю.

Задержки на участке MSC-VLR маловероятны, поскольку центр коммутации MSC и визитный регистр VLR в современных сетях интегрированы друг с другом. Задержки на участке MSC —

В   SMS-IWMSC могут возникать при недостаточном количестве каналов между центрами коммутации в сети, содержащей несколько MSC. Задержки на участке шлюз SMS-IWMSC — сервисный   центр могут быть вызваны недостаточным количеством цифровых трактов до сервисного центра или низкой производительностью интерфейсов сервисного центра. Узким местом в процессе В    доставки  SMS-сообщения  является участок между мобильной В    станцией и MSC/VLR, т.е. радиоподсистема.

В зависимости от того, происходит ли передача SMS-сообщения одновременно с передачей речевого сообщения (данных) или     в режиме ожидания вызова, сообщение передается по низкочастотному совмещенному каналу сигнализации (Slow Accociated Control Channel, SACCH) или по выделенному автономному каналу сигнализации (Stand-Alone Dedicated Control Channel, SDCCH) соответственно. Процесс доставки в радиоподсистеме по выделенному  каналу включает следующие основные операции:

           - запрос и выделение свободного канала SDCCH; запрос передается по каналу прозвольного доступа (Random Access Channel, RACH), ответ от BSC приходит по каналу разрешения доступа (Access Grant Channel, AGCH);

           - запрос предоставления сервиса SMS;

            - получение запроса аутентификации от MSC и передача от-

               клика на MSC;

            - установка режима шифрования;

            - установка соединения;

            - передача SMS-сообщения;

            - получение от сервисного центра подтверждения доставки;

            - закрытие соединения и освобождение канала SDCCH.

             Выделение канала SDCCH для передачи SMS-сообщения может занять до 500 мс только на передачу запроса от мобильной станции и получение подтверждения от контроллера BSC плюс не которое время на обслуживание запроса в контроллере базовой   станции BSC. Очевидно, что при передаче собственно данных SMS в зависимости от объема полезного сообщения (максимальная длина информационной части SMS — 160 буквенно-цифровых знаков) время передачи сообщения возрастает с увеличением объема сообщения и составляет от 1000 до 2600 мс. Следует также учитывать и время передачи отчета о доставке SMS-сообщения, которое соизмеримо с временем передачи SMS-сообщения без информационной части (типа «запрос-ответ»), в среднем равное 1000 мс.

С учетом длительности всех операций, выполняемых в процессе доставки SMS-сообщения с MS до MSC, и в зависимости от длины SMS-сообщения на его доставку потребуется от 3500 до 5100 мс. В условиях реальной сети это время может быть увеличено по следующим причинам:

- хендовер во время передачи сообщения;

- низкое качество канала связи;

- неустранимые ошибки на физическом уровне;

- отсутствие свободных каналов SDCCH;

- одновременный прием сообщения от MSC (спецификации GSM позволяют мобильной станции принимать и передавать SMS-сообщения одновременно, но параллельная передача или прием двух и более сообщений одновременно невозможны).

Если SMS-сообщение передается одновременно с передачей речевых сообщений или данных, длительность передачи будет больше приблизительно вдвое, поскольку реальная пропускная способность канала SACCH приблизительно вдвое меньше, чем у SDCCH.

С другой стороны, в силу принятого в GSM дуплексного режима передачи сообщений по каналам радиоподсистемы на практике время передачи SMS может быть уменьшено за счет сокращения временных затрат на установку соединения. На практике также может быть сокращена неинформационная часть SMS-сообщения. По этим причинам в зависимости от длины SMS-сообщения на его доставку до MSC по радиоинтерфейсу необходимо от 1500 до 3100 мс. Однако даже с учетом этих факторов время доставки SMS-сообщения, особенно в условиях повышенной загруженности сети, может быть критичным для некоторых приложений и служб системы определения местоположения.

Эффективным решением задачи повышения стабильности времени передачи может быть организация в телематической системе синхронизированной доставки SMS-сообщений. При таком способе доставки для выделенных категорий терминальных модулей или категорий сообщений (например, экстренных сообщений) выделяются временные окна, формирующие временной кадр. Синхронизацию временных кадров терминальных модулей предлагается осуществлять от имеющихся в них блоков приема сигналов спутниковой навигационной системы. Действительно, как отмечалось в предыдущих главах, в силу принципа реализации технологии СНС, каждый навигационный приемник жестко синхронизирован с общесистемным временем. В частности, применяемые в модулях «Топаз-201» встраиваемые приемники GPS типа Trimble Lassen LP или Rockwell Jupiter LP могут выдавать импульсы с интервалом 1 с, при этом стабильность интервалов имеет порядок 100 не. Такой стабильности более чем достаточно, поскольку время передачи сообщений имеет порядок секунд.

Формируемый системный временной кадр содержит п временных окон, в каждом из которых осуществляется передача SMS-сообщений от определенной группы телематических модулей, например, по признаку владения или по степени важности. Некоторые категории модулей могут получать более одного временного окна, что повышает их приоритет при использовании ресурсов сети.

В структуре кадра выделяется временное окно (или несколько окон) для передачи исключительно экстренных сообщений. Пример системного временного кадра приведен на рис. 6.3.

Формирование структуры кадра производится центром диспетчеризации и мониторинга. При формировании кадра может быть учтена информация о нагрузке на сеть, получаемая центром диспетчеризации и мониторинга из центра управления сети сотовой связи. Также учитывается характер нагрузки от терминальных модулей телематической системы.

После формирования центром диспетчеризации и мониторинга временного кадра посредством рассылки SMS-сообщений осуществляется программная дистанционная перестройка терминальных модулей. В процессе перестройки каждый терминальный модуль устанавливает в соответствии со сформированным кадром временные интервалы для посылки своих телематических сообщений, а также временной интервал для посылки экстренных телематических сообщений.

Для реализации описанной технологии передачи SMS-сообщений в функциональные схемы терминального модуля и центра диспетчеризации и мониторинга вводятся необходимые изменения.

Экспериментальные и теоретические результаты показывают, что доля SMS-сообщений, время доставки которых превышает среднее в синхронных системах, растет с ростом нагрузки существенно медленнее, чем при обычной передаче. В частности, для случая с кадром из десяти временных окон доля SMS-сообщений, которые доставляются дольше среднего, превышает 20% при интенсивности потока входящих сообщений, в 2,5 раза превышающей аналогичный порог для асинхронного режима передачи.

Результаты внедрения синхронной доставки SMS приведены в виде графиков на рис. 6.4, откуда видно, что при сопоставимом среднем времени передачи SMS-сообщений доля сообщений, доставка которых длилась дольше среднего, в синхронном режиме начинает расти при более высокой интенсивности трафика.

6.2. Влияние реализации технологий

определения местоположения на PLMN

Всем технологиям определения местоположения, принятым 3GPP для GSM и UMTS, присущи свои преимущества и недостатки (табл. 6.1).

Технология Cell ID-TA не требует существенной модернизации сети, поскольку она является изначальной характеристикой сети сотовой связи. Возможно, потребуется модернизировать некоторые приложения для обеспечений услуг определения местоположения на базе идентификации номера соты. Основной недостаток этого метода заключается в низкой точности результатов по сравнению с другими методами. Тем не менее следует помнить, что для многих услуг, связанных с определением местоположения, может и не требоваться высокая точность. Кроме того, соты систем связи третьего поколения будут меньшего размера по сравнению с сотами GSM-900. Речь может идти даже о пикосотах с радиусом покрытия несколько сотен метров в районах с высокой плотностью абонентов.

Технологии E-OTD и OTDoA предполагают существенную модернизацию сети. В большинстве случаев потребуется модернизировать программное обеспечение практически каждого сетевого элемента PLMN. В некоторых случаях потребуется новое оборудование, например LMU, позволяющее измерить время поступления пакетов данных в эталонный приемник в заданном месте. Тем не менее технология OTDoA позволяет операторам тщательнее отслеживать использование информации о местоположении мобильной станции по сравнению с технологией A-GPS.

Технология A-GPS позволяет максимально точно определить местоположение мобильной станции, если пользователь находится в зоне прямой видимости, по крайней мере, четырех навигационных спутников. Внутри помещений точность резко снижается. Влияние на сеть при использовании этого метода также минимально. Возможно, операторам придется инсталлировать несколько эталонных навигационных приемников в инфраструктуру наземной сети связи, чтобы передавать вспомогательные и корректирующие данные, необходимые MS, а также модернизировать программное обеспечение, чтобы обрабатывать информацию сигнализации, которая обеспечивает передачу вспомогательных данных терминалам.

Однако в этом случае оператор имеет менее жесткий контроль над информацией о местоположении MS. Определив местоположение MS, с помощью уточненных данных терминал может передать эту информацию в прозрачном режиме (т.е. не уведомляя оператора) третьим лицам — поставщикам услуг — для дальнейшей обработки. Уже сегодня активно применяются телеметрические GSM-GPS-модули, которые осуществляют определение местоположения независимо от PLMN и передают информацию о местоположении MS посредством SMS (см. 5.8).

6.3. Влияние реализации технологий определения местоположения на мобильные станции

Наибольшей модернизации при внедрении технологий определения местоположения на основе СНС подвергаются мобильные станции. У большинства из них отсутствует отдельная навигационная антенна, а для получения сигналов GPS (или ГЛОНАСС) используется антенна сотовой связи. Затраты на производство MS возрастают, если требуется дополнительная антенна (для приема   сигналов, передаваемых в полосе частот 1,2 ГГц и 1,5 ГГц).

         Использование в составе MS дополнительного навигационного приемника имеет следующее последствия:

- повышается стоимость MS, однако при использовании технологии «network-assisted» A-GPS стоимость терминала повысится незначительно;

- с внедрением микросхем GPS (ГЛОНАСС) в MS могут увеличиться ее габариты; уменьшить размер MS можно за счет более глубокой интеграции ключевых функций;

- вследствие необходимости непрерывного приема навигационных сигналов в MS увеличивается ее энергопотребление, в результате необходимо использовать батарею большего размера, что, в свою очередь, приведет к увеличению размера терминала,  однако  применение технологии  A-GPS опять же снижает остроту проблемы;

- необходимо учитывать риск, связанный с возможностью отключения системы GPS или ГЛОНАСС оператором глобальной навигационной системы или постановки помех приему навигационных сигналов.

Необходимость использования специальной антенны для навигационного приемника может иметь самые серьезные последствия для дизайна MS. При этом дополнительная антенна должна обеспечивать независимый прием сигналов СНС, не прерывая обмен сообщениями с сетью.

Технологии определения местоположения MS на основе данных сети, в частности методы Cell ID и OTDoA, очевидно, оказывают меньшее влияние на конструкцию MS. При этом требуется усовершенствованное программное обеспечение. Для технологии Cell ID-TA практически не требуется модернизировать MS.

Для доступа к целому ряду информационных услуг, связанных с определением местоположения, можно использовать стандартный WAP*-браузер или технологию SIM-media.                                    

Вполне вероятно, что в среднесрочной перспективе мобильные станции с приемником GPS будут пользоваться спросом для применений, ориентированных именно на точное определение местоположения. Технологии определения местоположения Cell ID-ТА, E-OTD и OTDoA ориентированы, прежде всего, на массового пользователя.