Повышение точности в системах навигации подвижных наземных объектов (ПНО) возможно двумя взаимодополняющими друг друга направлениями. Первое это совершенствование устройств и систем, входящих в их состав, с введением новых имеющих высокие характеристики качества функционирования. Второе – комплексирование и оптимизация обработки информации [1, 2].

В рамках первого направления перспективными системами, нашедшими в последние время широкое применение для решения задач навигации, являются среднеорбитальные спутниковые радионавигационные системы ГЛОНАСС и NAVSTAR. В качестве примера их применения в ПНО можно привести навигационно-информационные комплексы: Трона-1, ТНА-4, Азимут, Ориентир, КомпаНав-2Т и др. [3]. Применение спутниковых радионавигационных систем (СРНС) в навигационных системах ПНО позволяет значительно повысить точность определения координат местоположения.

Максимального эффекта при работе навигационных систем удается достичь на основе применения методов Марковской теории оценивания случайных процессов, позволяющих получить комплексные алгоритмы обработки сигналов спутниковых радионавигационных систем с выходными данными нерадиотехнических измерителей информации. Разработанные этими методами комплексные алгоритмы позволяют: во-первых, обеспечить требуемую точность при решении задач навигации за счет совместной обработки информации [1]; во-вторых, что особенно важно, обеспечить целостность навигационного обеспечения в нормальном режиме функционирования в случае неточных данных (сбой или искусственный ввод неточных данных) об орбитах навигационных космических аппаратов за счет ввода в их состав барометрического высотомера [2].

Для повышения точности определения местоположения ПНО наряду с применением радиотехнических систем дальней навигации актуальной задачей является использование сотовой наземной радиотехнической инфраструктуры с наращиванием ее дополнительными базовыми и контрольно-корректирующими станциями. В настоящее время для определения местоположения ПНО могут успешно использоваться наземные мобильные радиотехнические системы ближнего действия. В составе последних в настоящее время быстро развивается система определения местоположения «Location Services (LCS)» для мобильных сотовых систем «Global Systems Mobile (GSM)», которая практически без изменений внедряется в новые сети мобильной связи «Universal Mobile Telecommunications System (UMTS)». Определение местоположения ПНО основано на определении дальности между подвижным наземным объектом и приемниками базовых станций.

Оборудование сетей GSM включает в себя подвижные и базовые станции, цифровые коммутаторы, центр управления и обслуживания, различные дополнительные системы и устройства. Функциональное сопряжение элементов системы осуществляется с помощью ряда интерфейсов. На структурной схеме (рисунок 1) показано функциональное построение и интерфейсы, принятые в стандарте GSM.

Рисунок 1 – Структурная схема сети стандарта GSM

В настоящее время сотовые операторы предлагают услуги на основе определения местоположения абонента. Существуют несколько видов систем мобильного позиционирования (таблица 1) [4].

Таблица 1 – Основные методы позиционирования в сетях GSM

Уникальным методом позиционирования мобильных телефонов, не имеющим аналогов в классической радиопеленгации, является метод сопоставления образов (сигнатур) мест расположения абонентов «Location Pattern Matching (LRM)» мобильного абонента (рисунок 2), разработанный компанией US Wireless и использующий технологию анализа параметров радиосигнала и характеристик его многолучевого распространения. Измеряя фазовые, временные и амплитудные параметры фрагментов радиосигнала мобильного телефона, отраженного от препятствий (зданий, возвышенностей и т.п., базовая станция оценивает структуру подобного "радиоотпечатка" (fingerprint) сигнала и вычисляет его "сигнатуру" (signature)) Полученная информация сравнивается системой со своей базой образцов таких "сигнатур", соответствующих разным вариантам расположения мобильного абонента на местности. Достигаемые точности определения координат сотового телефона варьируют в пределах от единиц до сотен метров [5].

Рисунок 2 – Метод Location Pattern Matching

Существенным недостатком данных технологий является непосредственное использование самих базовых станций или центра коммутации для вычисления координат. При этом информация о местоположении выдается абоненту с периодом повторения 10-20 сек. Если взять во внимание то, что координаты базовых станций известны, и они постоянно вещают информацию в эфир (причем у каждой станции эта информация уникальна) то для определения местоположения можно использовать метод, основанный на приеме сигналов базовых станций для определения собственных координат (рисунок 3). Так как в данном случае нет необходимости делать запросы на базовые станции, в отличие от приведенных выше методов, то можно вычислять свое местоположение непрерывно. Данная технология может быть основана на использовании информации о направлении приема сигнала от базовых станций. Контроллер в приемнике сигналов сможет вычислять собственное местоположение на основе информации о пересечении линий направления приема сигнала, т.е. эта технология требует, как минимум двух базовых станций и приемника оборудованного антеннами с узкой диаграммой направленности. Большее количество используемых для расчета станций даст лучшие показатели точности.

Рисунок 3 – Метод, основанный на приеме сигнала от базовых станций

При реализации данной технологии возникает две проблемы практического характера. Во-первых, точность определения направления приема прямо пропорциональна ширине диаграммы направленности антенны, т.е. на приемнике сигналов требуются адаптивные и интеллектуальные (smart-antennas) антенные решетки, а их цена значительно превышает стоимость традиционных антенн. Во-вторых, из-за эффекта многолучевого распространения радиоволн не всегда можно отличить прямой сигнал мобильной станции от переотраженных сигналов (рисунок 4). Измеренное и реальное расстояния редко совпадают, а в некоторых случаях, в зависимости от топологии местности, расхождения могут быть очень большими как в городе, так и на открытой местности.

Рисунок 4 – Многолучевое распространение радиоволн

Однако вторая проблема не является специфической для данной технологии и характерна для большинства технологий определения местоположения. Для ее устранения используют различные вспомогательные технологии, которые 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 наоборот.

Литература:

1. Иванов А.В. Комплексные оптимальные алгоритмы обработки информации в навигационных системах подвижных наземных объектов / А.В. Иванов // Радиотехника. – 2010. – №5. – с. 12–17.

2. Иванов А.В. Комплексные оптимальные алгоритмы обработки информации в навигационных системах подвижных наземных объектов с контролем целостности навигационного обеспечения / А.В. Иванов // Радиотехника. – 2010. – №12. – с. 15–20.

3. Комраков Д.В. Навигационные комплексы наземных мобильных средств // Технические науки: теория и практика: материалы междунар. заоч. науч. конф. (г. Чита, апрель 2012 г.). – Чита: Издательство Молодой ученый. – 2012. – с. 47–49.

4. Николаев В.П. Местоопределение абонентов в сетях сотовой связи // Специальная Техника. – 2001. – №5.

5. Определение местоположения абонента в сетях GSM [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.amobile.ru/info/tech/gps/location.htm.