CC BY
82
Спутниковое позиционирование в помещениях — новое направление в навигации
Необходимость знать местоположение подвижного абонента сети связи (в частности, в целях его безопасности) и развитие сервиса LBS актуализирует решение проблемы позиционирования "всегда и везде", включая и помещения. Один из подходов в ее решении — сверхчувствительные программные навигационные приемники для мобильных приборов (нетбуков, смартфонов, коммуникаторов, МЮов и др.), подключенных часто к Интернету и имеющих в своем составе мощный процессор, на который обычно возлагается поддержка ряда приложений.
Такие приемники будут очень скоро представлены на рынке навигационных устройств и в статье описано одно из пионерских решений в этой области, которое обеспечивает позиционирование не только вне помещений, но и внутри их благодаря разработанным алгоритмическим ухищрениям и ноу-хау.
Ключевые слова:
Спутниковое позиционирование, LBS, навигационные приемники, радиосигнал
Свириденко ВА., Будник РА.
SPIRIT-Telecom, ¡nfo@spiritdsp.com
Потребитель навигационной аппаратуры (НАП) обычно мало заботится о надежности спутниковой навигации. Приобретая навигатор или гаджет с навигационной функцией, он больше беспокоится о том, каков размер монитора и набор цифровых карт, каковы вспомогательные функции (от аудио-плейера до подсказок при движении в незнакомой местности), стоимость и т.п. Более продвинутые из покупателей могут интересоваться навигационным приемником или чип-сетом, на основе которых посторо-ен навигатор, возможностью приема сигналов двух существующих систем (ГЛОНАСС и GPS) или сигналов будущих созвездий (Галилео, Компас), называемых в совокупности GNSS, но часто мало отожествляют стабильность работы навигатора и его характеристики с качествами навигационного приемника. Примерно так же рассуждает и покупатель авто, которому дилер продает машину с функцией безопасности на базе спутниковой навигации. Недавно еще меньше покупатели гаджетов с навигационной функцией интересовались возможностями по определению позиции в помещении (доме или офисе, например), но ситуация меняется в связи с развитием соответствующего сервиса (Location Based Service — LBS).
LBS — новая перспективная услуга в интернете, позволяющая обеспечить пользователя, местоположение которого известно, информацией, прямо или косвенно связанной с его позицией на местности.
Определение позиции возможно несколькими способами. Один из них — спутниковая навигация с использованием навигационной аппаратуры потребителя (НАП). Но обеспечение позиционирования и его точность сильно зависят от реальных условий, в которых находится антенна навигационного приемника, встроенного в НАП. А эти условия могут быть самыми неблагоприятными: на природе — это навигация в сложных условиях рельефа местности (горы, овраги, леса, естественные укрытия), в городе — городские каньоны, затененые высокими зданиями улицы, где ощущаются проблемы с приемом спутникового сигнала, эстакады, отражения сигнала от высоких построек, наличие источников радиоизлучений, мешающих приему радиосигнала, и другие факторы, препятствующие получению качественного радиосигнала прямой видимости от навигационных спутников или же обусловленные электромагнитными помехами. Но здесь мы, в основном, рассматриваем ситуации применения навигатора на открытой местности, на улице или на природе, т.е. вне помещения (outdoor applications). А как быть, если вы находитесь в укрытии или под мостом, въехали в бетонный или кирпичный гараж, находитесь в офисе или в своей квартире? Долгое время спутниковое позиционирование в помещениях почти не рассматривалось ввиду практической невозмож-
ности принимать радиосигнал в таких условиях, но никто бы не отказался от навигации в помещении (indoor applications), что может обеспечить новые возможности пользователю. И только в последние несколько лет эта задача стала актуальной применительно к НАП благодаря способности навигационных приемников принимать и обрабатывать сильно ослабленные различными препятствиями радиосигналы.
Идеологи и основатели спутниковой навигации 30 лет назад рассматривали решение задачи позиционирования на Земле в предположении, что сигнал прямой видимости от навигационного спутника принимается НАП на открытой местности и точность позиционирования зависит только от фундаментальных причин. К числу последних относятся точность определения орбит спутников (описывается в альманахе), точность их позиционирования на орбите (описывается эфемеридами), точность часов на спутниках (~10E-14), искажение пути распространения сигнала через ионосферу и его учета. В меньшей степени точность позиционирования объекта на Земле или в ближнем космосе зависит от навигационного приемника сигналов спутников при условии, что при его проектировании и реализации выполнены основные условия: локальный генератор формирует опорный сигнал с точностью ~ 10E-7, прием и обработка сигналов спутников согласованы по точности с формированием сигнала на спутнике и расположением группировки навигационных спутников, внутренние шумы на входе радиотракта по мощности соизмеримы с мощностью внешнего космического шума на
том же входе и пр. При этом использование внешней по отношению к спутниковому(ым) со-звездию(ям) информации, передаваемым приемнику по каналам связи от специальной службы и/или систем функционального дополнения (наземного или спутникового) способствует повышению точности навигации.
Энергетические возможности излучающего спутникового радиотехнического оборудования и антенн рассчитывались, исходя из возможности обеспечения радиополя вблизи поверхности земли с мощностью сигнала -160 дБВт (или, в других единицах, -130 dBm), который должен приниматься надежно современным спутниковым приемником. Именно таковой должна быть чувствительность навигационного приемника, способного принимать и обрабатывать сигнал навигационного спутника на открытой местности. Первые реализации спутниковых навигационных приемников 15-20 лет назад для широкого использования обеспечивали чувствительность на уровне — 160...-165 дБВт (-130...-135 dBm), которая позволяла успешно принимать сигнал навигационного спутника указанной мощности и в то же время позволяла базироваться на современном уровне микроэлектроники.
Снижение этой мощности в силу разных причин (прохождение радиоволны через листву дерева, дождевую тучу, крышу или стену здания, эстакаду, под которой проходит человек или проезжает поезд или автомобиль, и многое другое) может осляблять интенсивность радиосигнала и драматически влиять на его прием, а, значит, прерывать вывод навигационных данных и даже полностью парализовать работу спутникового навигационного приемника.
Если же оценить мощность радиополя за обычным стеклом, то ослабление сигнала составит 1-4 дБ, за деревом — на 2-9 дВ в зависимости от толщины стены, за толстым стеклом со свинцовыми добавками — на 8-10 дВ, за бетонной или кирпичной стеной — на 12-43 дБ (например, при толщине бетонной стены 25 см — на 20 дБ или в 100 раз), т.е. приемник должен принимать сигнал мощностью -180...-210 дБВт. А чтобы надежность приема в этих условиях была достаточной, то надо обеспечить чувствительность приемника при поиске сигнала на уровне -185...-215 дБВт. Многие исследователи отмечают, что при ослаблении сигнала на 25 дВ и более, становится невозможным осуществить нормальный прием без дополнительной поддержки типа Assisted GNSS (хотя пока реально функционирует только A-GPS), когда навигационный приемник получает дополнительную информацию о времени и орбитах спутников по каналам сети мобильной связи или через Интернет. Наличие дополнительной информации в начальный период работы приемника и/или в стационарный интервал времени его функционирования сильно влияет на характеристики "холодного" старта, "горячего" старта, "повторного горячего" старта, т.е. уменьшает время старта за счет уменьшений времени поиска сигнала на плоскости "время (задержки) — частота (Допплера)", что является весьма важным для разных приложений, а для некоторых даже критичным.
Таким образом, повышение чувствительности приемника и обработка многолучевого сигнала позволяют обеспечить его работоспособность в трудных условиях, вызванных значительным ослаблением радиосигнала и его отраже-
ниями от естественных или искусственных препятствий. Дополнительной проблемой при приеме ослабленного радиосигнала являются влияние электромагнитных помех (EMI), излучаемых работающим электронным или электрическим оборудованием. Оно особенно заметно при весьма ослабленных полезных радиосигналах от навигационных спутников. Поэтому повышение чувствительности спутникового приемника и борьба с помехами должны обеспечиваться в комплексе.
С момента ввода в эксплуатацию спутниковых созвездий NAVSTAR и ГЛОНАСС развитие технологии разработки и производства НАП, обусловленное прежде всего новыми алгоритмическими решениями и ростом вычислительной мощности процессоров в составе навигационного оборудования, обеспечивало повышение чувствительности на 1,5-2 дБ в год практически по линейному закону "чувствительнось в дБВт (или dBm) vs. годы". Так коммерческие приемники в 1998-2000 гг. характеризовались чувствительностью на уровне -150 dBm, в 2006 г. -160 dBm, а в 2009 г. -170 dBm (или -200 dBW), достигнутой сверхчувствительным программным GNSS приемником российской компании SPIRIT, представленным впервые специалистам и широкой публике в апреле и мае 2009 г. Он позволяет успешно принимать сильно ослабленный препятствиями (стеклами, стенами, крышей) радиосигнал даже в помещениях (indoor). Сам приемник включает аппаратную часть с радиочастотным фронт-эндом (RFFE) и программную часть, выполняющую основные функции обработки сигнала в основной полосе (baseband) вплоть до вывода PVT-данных (P — позиция, V — скорость, Т — время), как показано на рис.1.
б)
Рис. 1. Структура сверхчувствительного программного приемника
Рис. 2. Общий вид приемника на базе нетбука и USD-донгла (а) и USB-донгл (б)
Рис. 3. Отображение спутников, сигналы которых принимаются программным приемником
Рис. 4. Визуализация изменения мощности спутниковых сигналов внутри помещения, используемых программным приемником с повышенной чувствительностью
Принципы повышения чувствительности приемного устройства хорошо известны: это параллельная обработка сигнала банком корреляторов, плотно расставленных на плоскости "время-частота", и когерентная или некогерентная интеграция (накопление) принимаемого сигнала. Повышение числа корреляторов (до десятков и сотен тысяч) снижает время поиска сигналов и оставляет больше времени для интеграции, т.е. повышает тем самым чувствительность приемника. Время поиска может дополнительно снижено путем уменьшения окна поиска на указанной плоскости при получении внешней информации о частоте и времени. Такой "аппаратный" подход используется при проектирование современных чипов или чип-сетов, реализующих функции GNSS-приемника.
Накопление — обязательный компонент обработки сигнала в приемнике. Когерентное накопление дает больший эффект в повышении чувствительности приемника, но более ресурсоемко, а некогерентное более просто реализовать. Можно сочетать когерентное и некогерентное накопление для компромисса между чувствительностью приемника и сложностью его реализации. Именно такой подход реализован в указанном сверхчувствительном приемнике в его baseband-части программными средствами на платформе Intel Atom, которые используют специфику архитектуры процессора Atom. Дополнительно программным путем подавляются электромагнитные помехи. При этом RFFE обеспечивает перенос спектра высо-
кочастотного сигнала в область низкой промежуточной частоты (ПЧ) и оцифровку отсчетов ПЧ-сигнала в аналого-цифровом преобразователе (АЦП). Для ввода оцифрованных ПЧ-от-счетов в baseband часть приемника его аппаратная часть в настоящее время представлена в виде USB-донгла (ВЧ-адаптера), как показано на рис. 2. Альтернативным решением к реализации аппаратной части может быть ее размещение на материнской плате мобильного устройства.
Его характеристики таковы:
• 32 канала и более;
• точность позиционирования: 3 м (CEP) в автономном и 1м в дифференциальном режиме;
• чувствительно в режиме холодного старта до -159 dBm;
• чувствительность в режиме горячего старта (< 1сек.) и в режиме A-GPS до -164 dBm;
• чувствительность в режиме поиска сигнала до -166 dBm;
• чувствительность в режиме слежения до -170 dBm;
• возможные режимы: ГЛОНАСС+GPS, только GPS, только ГЛОНАСС;
• интерфейс USB version 2.0;
• простое подключение к нетбукам, ноутбукам и MID-ам;
• простая инсталляция ПО через USB порт
• поддержка Internet aided A-GPS;
• возможное обеспечение приема сигналов Galileo.
На рис. 3 показаны диаграммы спутникового созвездия при нахождении приемника (режим GPS) в типовом помещении, когда ни один современный коммерческий GPS-при-емник (используемый как reference) в сравнительных испытаниях не способен принять ослабленные радиосигналы более, чем от од-ного-двух спутников (максимум). Разным цветом отображается статус навигационных спутников, сигналы которых принимаются приемником.
Динамика изменения мощности сигналов участвующих в навигации и сопровождаемых спутников, которые использует программный приемник с повышенной чувствительностью, функционирующий внутри типового офисного помещения, показана на рис. 4.
Если уровень мощности сигнала опускается ниже определенного порога, то сопровождение соответствующего спутника становится невозможным.
Очевидно, что прием навигационных радиосигналов от спутников разных созвездий (GNSS) существенно повышает надежность навигации в условиях сильного ослабления мощности принимаемых сигналов, а также точность позиционирования ввиду возможности выбора лучшей геометрии по комбинации сопровождаемых спутников. Именно поэтому многосистемность для такого приемника — важный фактор улучшения его основных технических характеристик.
