CC BY
28
выше. Наблюдается перекрытие между базовыми станциями, что обеспечивает надежность обслуживания /оГ-устройств, работающих в этих районах.
В условиях действия преднамеренных помех уже на малом расстоянии наблюдалось отсутствие подключения к сети, что позволяет сделать вывод о влияющих гармониках (в данном случае влияла вторая гармоника), а также в случае влияния помех в нескольких диапазонах. Это необходимо учесть при планировании и оптимизации сетей.
Работа выполнена в рамках прикладных научных исследований СПбГУТ, регистрационный номер 122020100465-3 от 01.02.2022 в ЕГИСУ НИОКТР.
Литература
1. Мегафон - тариф «Интернет Вещей».
URL: https://spb.megafon.ru/corporate/mobile/tariffs/alltariffs/intemet_veschey.html
2. МТС - тариф «IoT-сеть».
URL: https://moskva.mts.ru/business/mobilnayasvyaz/korporativnie-tarifi-i-opcii/iot-set-dlya-interneta-veshhej
3. Билайн - тариф «Для умных вещей».
URL: https://moskva.beeline.ru/customers/products/mobile/tariffs/details/dlya-umnihveshhey/
4. Теле2 - тариф «Интернет для вещей». URL: https://msk.tele2.ru/journal/article/internet-of-things.
5. Emmanuel Migabo, Karim D. Djouani, Anish Kurien. A Modelling Approach for the Narrowband IoT (NB-IoT) Physical (PHY) Layer Performance // IECON 2018- 44th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society - IEEE, 2018.
6. Malik H. et al. NB-IoT network field trial: Indoor, outdoor and underground coverage campaign //2019 15th International Wireless Communications & Mobile Computing Conference (IWCMC). - IEEE, 2019. - С. 537-542.
7. Тестер сети NB-IoT серии RB-NBT. Руководство по эксплуатации.
8. Инструкция по эксплуатации подавителя сигналов EaglePro Метель-Z.
АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ПРИНЦИПОВ РАБОТЫ ГЛОБАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ И НАВИГАЦИИ НА ОСНОВЕ СОТОВОЙ ПОДВИЖНОЙ СВЯЗИ И WI-FI
К.Н. Елагина, Московский технический университет связи и информатики, kristina.elagina@mail.ru;
Д.К. Чиянов, Московский технический университет связи и информатики, dimasovskij1999@gmail.com.
УДК 656.052.1_
Аннотация. В последние десятилетия наблюдается увеличение числа глобальных навигационных спутниковых систем. Различные частные компании и государства, а также другие формирования активно продолжают усовершенствовать уже существующие и внедрять новые системы. Некоторые из этих систем уже находятся в эксплуатации, но некоторые из них все еще находятся в стадии разработки. Цель данной статьи - рассмотреть основной принцип работы любой навигационной спутниковой системы, а также навигации на основе сотовой
подвижной связи и Wi-Fi и выявить основные аспекты, где различные навигационные системы дополняют точность предоставляемых ими данных.
Ключевые слова: ГНСС; GPS; ГЛОНАСС; Galileo; Compass; навигация; навигационные системы; СПС; Wi-Fi.
ANALYSIS OF THE BASIC PRINCIPLES OF OPERATION OF GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEMS AND NAVIGATION BASED ON CELLULAR MOBILE COMMUNICATIONS AND WI-FI
K. N. Elagina, Moscow Technical University of Communications and Informatics; D.K. Chiyanov, Moscow Technical University of Communications and Informatics.
Annotation. In recent decades, there has been an increase in the number of global navigation satellite systems. Various private companies and states, as well as other formations, actively continue to improve existing systems and introduce new ones. Some of these systems are already in operation, but some of them are still under development. The purpose of this article is to consider the basic principle of operation of any navigation satellite system, as well as navigation based on cellular mobile communications and Wi-Fi, and to identify the main aspects where various navigation systems complement the accuracy of the data they provide.
Keywords: GNSS; GPS; GLONASS; Galileo; Compass; navigation; navigation systems; MCS; Wi-Fi._
Введение
Глобальная навигационная спутниковая система (ГНСС) используется для определения местоположения приемника на суше, в море или в космосе с помощью группировки из множества искусственных спутников. Определение местоположения приемника (т.е. широты, долготы и высоты) зависит от расчетного расстояния до нескольких спутников. Каждый спутник непрерывно транслирует навигационное сообщение. Приемник использует полученное сообщение со спутников в представлении для определения времени прохождения каждого сообщения и вычисления расстояния до каждого спутника [1].
Для каждой ГНСС должна быть запущена группировка с достаточным количеством спутников, чтобы гарантировать одновременную видимость по крайней мере четырех спутников из любой точки Земли. Спутник способен оставаться на стабильной орбите благодаря силе тяжести, которая достаточна для ускорения спутника на его орбите. Энергия топлива используется только для перевода спутника на другую орбиту или для поддержания спутника на его правильной орбите в случае отклонения, вызванного гравитацией внешнего объекта (например, гравитацией луны и солнца). Солнечные панели используются для питания всей электроники, а также радиоприемников и передатчиков на борту.
В силу специфики своего устройства ГНСС не всегда предоставляют достаточно точную информацию о местонахождении приемника. В таких случаях может быть использована система позиционирования на основе сотовой подвижной связи (СПС) и Wi-Fi. В данной статье рассматриваются каждая из упомянутых ранее систем навигации, а также приводится ряд доводов, каким образом они могут дополнять друг друга при использовании [2].
Группировка и сегменты ГНСС
Системы ГНСС должны иметь группировку с достаточным количеством запущенных спутников, чтобы гарантировать одновременную видимость по крайней мере четырех спутников на каждом участке. Спутники ГНСС оснащены атомными или хрустальными часами, радиопередатчиками, компьютерами и вспомогательным оборудованием, используемым для управления системой. Сигналы каждого спутника позволяют пользователю измерить приблизительное расстояние от приемника до спутника, которое называется псевдодиапазоном. Псевдодиапазон вычисляется на основе времени прохождения сигналов от спутника до приемника, как показано в формуле 1. Поскольку радиосигналы распространяются со скоростью света с, где c = 299, 792, 458 м/с, формула имеет следующий вид:
псевдодиапазон = (разница во времени) х с (1)
ГНСС обычно состоит из трех сегментов: космического сегмента, сегмента управления и сегмента пользователя [3].
Космический сегмент состоит из множества спутников, которые расположены над Землей в почти круговых орбитальных плоскостях, как показано на рис. 1. Существуют три различных по высоте орбиты спутников: низкая околоземная орбита (Low earth orbit, LEO), средняя околоземная орбита (Medium earth orbit, MEO) и геостационарная околоземная орбита (Geostationary earth orbit, GEO). Связь между высотой орбиты и периодом обращения Земли фиксирована. Спутники LEO расположены на высоте менее 2000 км и обращаются вокруг Земли в диапазоне от 95 до 120 мин. Спутники MEO расположены на высоте от 5 000 до 12 000 км, и им требуется около 6 часов, чтобы облететь Землю. Высота спутников GEO зафиксирована на высоте 35 786 км, при которой они точно соответствуют скорости вращения Земли (т.е. совершают оборот вокруг земли один раз в 24 часа) и остаются точно в той же точке относительно земли. Каждый спутник оснащен устройствами, которые используются для навигации или других специальных задач. Спутник принимает, хранит и обрабатывает передаваемую информацию из наземного центра управления. Для идентификации спутники имеют различные системы идентификации (т.е. порядковый номер запуска, номер орбитальной позиции и конкретное название системы). На рис. 1 показана группировка спутников произвольной системы ГНСС.
Рисунок 1
Сегмент управления отвечает за управление всей системой, включая развертывание и техническое обслуживание системы, отслеживание спутников на их орбитах и тактовых параметров, мониторинг вспомогательных данных и загрузку сообщения данных на спутники. Сегмент управления также отвечает за шифрование данных и защиту сервиса от неавторизованных пользователей. Более того, станции слежения, расположенные по всему миру, координируют действия по управлению и мониторингу системы, используя двунаправленную связь между этими станциями и спутниками ГНСС.
Пользовательский сегмент состоит из пассивных приемников, способных декодировать принимаемые сигналы со спутников. Однако гражданским лицам не разрешается получать доступ к военным сигналам ГНСС. Таким образом, помимо специальных приемников, предназначенных для военного применения, сегодня на рынке доступно множество приемников ГНСС [4].
Система позиционирования Wi-Fi
Система позиционирования Wi-Fi (Wi-Fi positioning system, WPS) - это система геолокации, которая использует характеристики близлежащих точек доступа Wi-Fi и других беспроводных точек доступа, чтобы определить, где находится устройство [5], как показано на рис. 2 (пример определения местоположения устройства с помощью ближайших точек беспроводной связи).
Она используется там, где спутниковая навигация, такая как GPS, неадекватна из-за различных причин, включая многолучевость и блокировку сигнала в помещении, или где получение спутниковой фиксации заняло бы слишком много времени. Такие системы включают вспомогательный GPS, услуги городского позиционирования через базы данных точек доступа и системы позиционирования внутри помещений. Позиционирование Wi-Fi использует преимущества быстрого роста количествa беспроводных точек доступа в городских районах.
Наиболее распространенный метод локализации, используемый для определения местоположения с помощью беспроводных точек доступа, основан на измерении интенсивности принятого сигнала (индикация уровня принятого сигнала) и методе «снятия отпечатков пальцев» [5-7]. Типичные параметры, полезные для геолокации точки беспроводного доступа, включают ее идентификатор беспроводной сети (Service set identifier, SS/D) и MAC-адрес.
Рисунок 2
Точность зависит от количества близлежащих точек доступа, позиции которых были введены в базу данных. База данных точек доступа Wi-Fi заполняется путем сопоставления данных о местоположении GPS мобильного устройства с MAC-адресами точек доступа Wi-Fi. Возможные возникающие искажения сигнала, могут увеличить количество ошибок и неточностей на пути пользователя. Чтобы свести к минимуму колебания в принимаемом сигнале, существуют определенные методы, которые могут быть применены для фильтрации шума.
В случае низкой точности были предложены некоторые методы для объединения трасс Wi-Fi с другими источниками данных, такими как географическая информация и временные ограничения (т.е. временная география).
Система позиционирования на основе подвижной сотовой связи
Четкой границы между системами навигации и беспроводной связи не существует. Современные навигационные системы предоставляют определенный объем широковещательной информации, такой как данные эфемерид, состояние спутника и другие данные, связанные с навигацией. Продолжающееся развитие нынешних и будущих систем, например, Galileo, по-видимому, указывают на то, что объем широковещательной информации будет значительно увеличен. С другой стороны, присущие радиосигналам связи возможности локализации использовались с самого начала существования беспроводной связи. Во времена зарождения радионавигации это достигалось главным образом путем определения угла прихода принимаемых радиосигналов и триангуляции. Позже специализированные навигационные системы, такие как DECCA, TACAN, DME, LORAN и OMEGA, использовали конечную скорость электромагнитных волн. С появлением систем связи с расширенным спектром улучшенная способность определять различия во времени прибытия (Time of arrival, TOA) входящих сигналов еще больше расширила возможности локализации. Объединенная система распределения тактической информации (Joint tactical information distribution system, JTIDS) является примером системы связи с превосходными возможностями относительной навигации [8]. Назначение этой системы действительно разделено между навигацией и связью.
Проблемы безопасности навигационных систем
Помехоустойчивость ГНСС, а также прочих систем навигации очень важна как для военных, так и для гражданских пользователей. В настоящее время помехи сигналам навигационных систем включают потенциальные помехи и вмешательство человека. Потенциальное вмешательство включает в себя внутриполосные радиочастотные помехи, внеполосные радиочастотные помехи, помехи окружающей среды и взаимные помехи между системами навигации. В настоящее время разработано множество соответствующих технологий защиты от помех, основные из которых перечислены ниже:
• Метод обнаружения подмены сигнала, основанный на доплеровском сдвиге.
• Метод обнаружения подмены, основанный на проверке согласованности.
• Метод обнаружения подмены, основанный на анализе статистики
параметров сигнала.
• Обнаружение остаточного сигнала.
• Способ обнаружения подмены на основе антенной решетки.
• Способ обнаружения подмены, основанный на угле прибытия.
• Метод обнаружения подмены, основанный на подпространственной
проекции.
• Способ обнаружения подмены, основанный на направлении поступления сигнала.
При помощи приведенных выше методов возможна успешная защита от помех и атак на навигационные системы. В то же время необходима разработка методов защиты от новых видов атак, так как происходит постоянное совершенствование систем борьбы с навигацией.
Взаимное дополнение данных ГНСС, СПС и Wi-Fi
Объединение оценок на основе СПС, ГНСС и WiFi с их независимыми ошибками дополнительно повышает достижимую точность. ГНСС не работают в помещениях, в то время как СПС и Wi-Fi работают [9]. Здесь различные системы определения положения могут дополнять друг друга.
• Иерархическая сотовая структура систем связи 3G может быть спроецирована на иерархическую навигационную структуру.
• Определение и коррекция ионосферных эффектов могут быть улучшены путем объединения измерений, возможных на частотах ГНСС и частотах спутникового компонента 3G СПС.
• Базовые станции полагаются на точную синхронизацию. Использование ГНСС для распределения времени является экономически эффективным решением этой проблемы.
• Для повышения производительности системы СПС ключевым аспектом является возможность определения местоположения пользователя. Будет ли это сделано путем интеграции ГНСС-приемников в СПС-терминалы или с использованием присущих сигналам связи возможностей локализации, будет решено на основе рыночных и стратегических вопросов.
• ГНСС предоставляет необработанную информацию о местоположении. В сочетании с СПС ценность этой информации может быть увеличена [10].
Различные системы ГНСС разработаны таким образом, чтобы быть совместимыми, что позволяет использовать более одной системы ГНСС для вычисления местоположения. Например, использование двух систем ГНСС повышает точность определения местоположения, в то время как увеличение количества спутников в поле зрения приемника увеличится в два раза. Более того, объединенные сигналы улучшат кодовые измерения, снизят уровень кодового шума и улучшат модели распространения в ионосфере и тропосфере. Объединение сигналов от нескольких ГНСС, а также навигации с помощью Wi-Fi и СПС для обеспечения большей доступности, более высокой производительности, более высокой надежности и более высокой точности является важным направлением для исследований.
С другой стороны, разделение полос частот между различными видами навигации вызывает помехи между доступными сигналами от разных систем (например, помехи между сигналами Compass и Galileo в диапазонах B1/E1 и B2/E5), что приводит к снижению производительности. Большое количество исследований было сосредоточено на измерении помех между частотами сигналов различных ГНСС, что произошло из-за ограниченных частотных ресурсов и растущего числа сигналов навигационных спутников. Системы персональной связи следующего поколения вряд ли приведут ГНСС к устареванию. Вместо этого навигационные и коммуникационные системы, а также Wi-Fi будут образовывать симбиоз.
Заключение
В данной статье проведен общий анализ принципов работы глобальных навигационных спутниковых систем, а также работы систем позиционирования на основе сотовой связи и специфики их функционирования. Выявлены варианты дальнейшего развития взаимодействия навигационных систем. Целью данного материала являлось обобщение уже известных фактов об особенностях навигационных систем, на основе которого представляется возможным проведение дальнейших исследований в данной предметной области.
Литература
1. J.F.O. Ranger. «Principles of JTIDS Relative Navigation». The Journal of Navigation, Cambridge, 1996.
2. Rappaport T.S., Reed J.H., Woerner B.D. «Position Location Using Wireless Communications on Highways of the Future», IEEE Communications Magazine, October, 1996.
3. Lindner Thomas, Fritsch Lothar, Plank Kilian. Rannenberg, Kai (2004). Lamersdorf, Winfried; Tschammer, Volker; Amarger, Stéphane (eds.). «Exploitation of Public and Private WiFi Coverage for New Business Models». Building the E-Service Society. IFIP International Federation for Information Processing. Springer US. 146: 131-148. doi:10.1007/1-4020-8155-3_8. ISBN 978-1 -4020-8155-2.
4. Kotaru Manikanta, Joshi Kiran, Bharadia Dinesh, Katti Sachin (2015-01-01). Spotify: Decimeter Level Localization Using WiFi. Proceedings of the 2015 ACM Conference on Special Interest Group on Data Communication. SIGCOMM '15. New York, NY, USA: ACM. - pp. 269- 282. doi:10.1145/2785956.2787487. ISBN 978-1-4503-3542-3. S2CID 8728165.
5. Главные события «Бэйдоу» // Кита, 2020. - № 9. - С. 26-27.
6. Суворов Е.Ф. Летопись зарождения, развития и первых шагов реализации идеи отечественной спутниковой системы. - М.: Кучково поле, 2014. - 232 с, ил. - ISBN 978-5-9950-0389-2.
7. Серапинас Б.Б. Глобальные системы позиционирования. - М.: ИКФ «Каталог», 2002. - 106 с.
8. Генике А.А., Побединский Г.Г. Глобальные спутниковые системы определения местоположения и их применение в геодезии. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Картгеоцентр, 2004. - 355 с. - ISBN 5-86066-063-4.
9. Hofmann-Wellenhof B., Lichtenegger H. and Wasle E. GNSS - Global Navigation Satellite Systems: GPS, GLONASS, Galileo, and more. Springer; 1 edition, December 2007.
10. Küpper A., Location-Based Services: Fundamentals and Operation. Wiley; 1 edition, October 2005.
11. Cai L., Sun X., Fan G. and Wu C. «Deception detection method in multipath environment» Mod. Defence Technol., vol. 45, no. 5. - pp. 72-77 and 99, Oct. 2017.
12. Kim T.-H., Sin C.S., Lee S. and Kim J.H. «Analysisofeffectofanti- spoofing signal for mitigating to spoofing in GPS l1 signal» in Proc. 13th Int. Conf. Control, Autom. Syst. (ICCAS), Gwangju, South Korea, Oct. 2013. - pp. 523-526.
13. Liu Y., Li S., Fu Q., Liu Z., and Zhou Q. «Analysis of Kalman fil- ter innovation-based GNSS spoofing detection method for INS/GNSS integrated navigation system» IEEE Sensors J.., vol. 19, no. 13. - pp. 5167-5178, Jul. 2019.
14. Wu Y. Zhang, Liu R. «BD-II NMA&SSI: An scheme of anti- spoofing and open BeiDou II D2 navigation message authentication» IEEE Access, 2020. vol. 8. - pp. 23759-23775.
15. Liu X. and Zhang L. «Research and implementation of GNSS anti- spoofing interference positioning algorithm based on multiple antennas» in Proc. 12th Signal Intell. Inf. Process. Appl. Nat. Academic Conf., Hangzhou, China, Apr. 2018. - pp. 1-4.
РОССИЙСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ МАКВИЛ
Заводом Эталон налажен выпуск абонентского и сетевого оборудования МАКВИЛ
Терминал РН-351-М1
Портативная транкинговая радиостанция-
Терминал МТ 359
Портативная транкинговая радиостанция
Терминал Wi 369
Портативный мультимедийный смартфон-радиостанция.
Модем МАКВИЛ МП-311-М1
модем в
промышленном
исполнении,
Радиостанция возимая РВ-351'М1
Автомобильная
транкинговая
радиостанция.
Впервые в истории России силами ГК НСТТ построена сеть профессиональной радиосвязи национального масштаба, отделенная от сетей общего пользования.
Надежность выделенной сети для всех абонентов МАКВИЛ.
www.nxtt.orf
www.zetal.ru
