8.04.2022 р.

Тема: Мобільний зв'язок та GPS-навігація

Що таке мобільний зв'язок? Це система, яка використовує велику кількість бездротових передавачів з низьким енергоспоживанням для створення осередків - основний географічної зони обслуговування системи бездротового зв'язку. Змінні рівні потужності дозволяють визначати розміри осередків відповідно до щільністю абонента і потребами в конкретному регіоні. Коли мобільні користувачі переміщаються з комірки в комірку, їх розмови «передаються» між цими зонами для забезпечення безперебійного обслуговування. Канали (частоти), використовувані в одній такій одиниці, що можуть бути повторно використані в інший на деякій відстані.

Стільниковий зв'язок відноситься до вдосконаленої службі мобільного телефонного зв'язку (AMPS), яка ділить географічний регіон на ділянки, які називаються "стільниками". Мета цього розділення - максимально використовувати обмежену кількість частот передачі.

Стільниковий зв'язок – це форма технології зв'язку, яка дозволяє використовувати мобільні телефони. Мобільний телефон - це двостороннє радіо, яке забезпечує одночасну передачу і прийом.

Стільниковий мобільний зв'язок заснована на географічному поділі зони покриття зв'язку. Кожній клітинці виділяється певна кількість частот (або каналів), які дозволяють великій кількості абонентів одночасно вести розмови. Загальним елементом всіх поколінь технологій мобільного зв'язку є використання певних радіочастот (RF), а також повторне використання частот. Це дозволяє надавати послуги великій кількості абонентів, одночасно зменшуючи кількість каналів (ширини смуги). Це також дозволяє створювати широкі мережі, повністю інтегруючи передові можливості мобільного телефону.

Збільшення попиту і споживання, а також розвиток різних видів послуг прискорили швидке технологічне розвиток сучасних мереж, а також безперервне вдосконалення самих мобільних пристроїв.

Принцип роботи мобільної комунікації

Кожен мобільний телефон використовує окремий тимчасовий радіоканал для зв'язку з стільниковим сайтом. Даний сайт підтримує комунікацію з багатьма телефонами одночасно, використовуючи один канал на один телефон. Канали використовують пару частот стільникового зв'язку: Пряму лінію для передачі з мобільного вузла. Зворотну лінію, щоб стільниковий вузол міг приймати виклики від користувачів. Радиоэнергия розсіюється на відстані, тому мобільні телефони повинні залишатися поруч з базовою станцією, щоб підтримувати зв'язок. Базова структура мобільних мереж включає в себе телефонні системи і служби радіозв'язку.

Процес починається з активації чіпа при введенні ПІН-коду вставляється SIM-карти. Потім здійснюється передача сигналу стільникового зв'язку з керуючим каналах. Відповідь обраного номера передається по вільному каналу управління на антену базової станції, звідки йде передача в центр комутації рухомого зв'язку. Центр комутації шукає базову станцію з максимальним рівнем сигналу стільникового телефону абонента стільникового зв'язку і перемикає розмова на неї.

Традиційна мобільна служба була структурована аналогічно телевізійного радіомовлення: один дуже потужний передавач, розташований в найвищій точці області, транслюватиме в радіусі до п'ятдесяти кілометрів.

Концепція стільникового зв'язку структурувала мережу телефонного зв'язку по-іншому. Замість використання одного потужного передавача багато малопотужні передавачі були розміщені по всій зоні покриття стільникового зв'язку. Наприклад, шляхом поділу області на сто різних ділянок (осередків) з передавачами з низьким енергоспоживанням, що використовують по дванадцять розмов (каналів), ємність системи теоретично може бути збільшена з дванадцяти розмов або голосових каналів, що використовують один потужний передавач, до дванадцяти сотень розмов (каналів), що використовують сотню передавачів з низьким енергоспоживанням. Міський район сконфігурований як традиційна мережа мобільного телефонного зв'язку з одним потужним передавачем.

Проблеми з перешкодами, викликані мобільними пристроями, що використовують один і той же канал в суміжних областях, довели, що всі канали не можуть повторно використовуватися у кожній соте. Незважаючи на те що це вплинуло на ефективність початкової концепції, повторне використання частот стало життєздатним рішенням проблем систем мобільної телефонії. Інженери виявили, що вплив перешкод було пов'язано не з відстанню між зонами, а з відношенням відстані до потужності (радіусу) передавачів зон. Скорочуючи радіус зони на п'ятдесят відсотків, постачальники послуг можуть збільшити кількість потенційних клієнтів в зоні в чотири рази.

Системи, засновані на сфері з радіусом в один кілометр, будуть мати в сто разів більше каналів, ніж системи з областями в радіусі десяти кілометрів. Спекуляція призвела до висновку, що, зменшивши радіус зони до декількох сотень метрів, можна було обслуговувати мільйони дзвінків.

Концепція стільникового зв'язку використовує змінні рівні низької потужності, що дозволяє підбирати осередку у відповідності з щільністю абонента і потребами даної області. По мірі зростання популяції можна додавати комірки для пристосування до цього зростання. Частоти стільникового зв'язку, використовувані в одному кластері осередків, можуть бути повторно використані в інших комірках. Розмови можуть передаватися з комірки в комірку, щоб підтримувати постійний телефонний зв'язок, коли користувач переміщається між ними. Стільникове радіоустаткування (базова станція) може зв'язуватися з мобільними телефонами, поки вони знаходяться в межах досяжності. Радиоэнергия розсіюється на відстані, тому мобільні телефони повинні знаходитися в межах робочого діапазону базової станції. Як і рання система мобільного радіозв'язку, базова станція зв'язується з мобільними телефонами через канал. Канал складається з двох частот: одна для передачі на базову станцію і одна для прийому інформації від базової станції.

Підвищення попиту і низька якість існуючих послуг спонукали постачальників мобільних послуг дослідити способи поліпшення якості обслуговування і підтримки більшого числа користувачів в своїх системах. Оскільки кількість частотного спектру, доступного для використання рухомого стільниковим зв'язком, було обмеженим, для покриття зв'язку було необхідно ефективне використання необхідних частот.

У сучасній стільникового телефонії сільські і міські райони діляться на райони у відповідності з конкретними правилами надання послуг. Параметри розгортання, такі як кількість поділу і розміри осередків, визначаються інженерами, які мають досвід роботи в архітектурі стільникових систем. Забезпечення для кожного регіону планується у відповідності з інженерним планом, який включає в себе комірки, кластери, повторне використання частот і передачу обслуговування. Осередок є основною географічною одиницею стільникової системи. Це базові станції, що передають сигнал через невеликі географічні області, які представлені у вигляді шестикутників. Розмір кожного варіюється в залежності від ландшафту. З-за обмежень, накладених природною місцевістю і штучними структурами, істинна форма осередків не є ідеальним шестикутником.

Супутникова навігація : основні принципи роботи.

Приcтрої супутникової навігації тісно ввійшли в наше життя. Моніторинг транспортних засобів, навігація морських суден та літаків, персональна навігація — неповний перелік сфер, в яких використовується супутникова навігація. Але далеко не кожен розуміє принцип роботи супутникової навігації, знає її різновиди та складові. То ж розглянемо детальніше:

Супутникова система навігації (GNSS — Global Navigation Satellite System) — система наземного та космічного обладнання, що призначена для позиціонування в просторі та часі, а також для визначення швидкості, напрямку та інших параметрів руху об’єкта. 

                                                             

Загальні елементи супутникової системи навігації:

• Орбітальна група -

Система космічних апаратів у вигляді мережі навігаційних супутників

• Наземна система керування та контролю -

Блоки вимірювання положення супутників та передачі на них отриманої інформації для корегування інформації про орбіти

• Приймальне обладнання 

"супутникові навігатори", що використовуються для визначення місцезнаходження 

• Опціонально-інформаційна радіосистема для передачі користувачам поправок, що дозволяє значно підвищити точність визначення координат.

                                                    

Принцип дії супутникових систем навігації заснований на вимірюванні відстані від антени приймача на об'єкті до навігаційних супутників, місцезнаходження яких відоме з великою точністю. Таблиця положень супутників («альманах») є в кожному приймачі супутникового сигналу до початку вимірювань. Зазвичай приймач зберігає альманах у пам'яті з часу останнього ввімкнення. Кожний супутник передає в своєму сигналі весь альманах. Таким чином, знаючи відстані до декількох супутників системи, за допомогою звичайних геометричних побудов на основі альманаху вираховується положення об'єкта в просторі.

Метод вимірювання відстані від супутника до антени приймача заснований на визначенні швидкості поширення радіохвиль. Для реалізації можливості вимірювання часу поширюваного радіосигналу кожен супутник навігаційної системи випромінює сигнали точного часу, використовуючи синхронізований з системним часом атомний годинник. При роботі супутникового приймача його годинник синхронізується з системним часом, і при подальшому прийомі сигналів супутників обчислюється затримка між часом випромінювання, шо міститься в самому сигналі, і часом прийому сигналу антеною приймача. Маючи дану інформацію, навігаційний приймач вираховує координати антени. Решта параметрів руху (швидкість, напрямок, пройдена відстань) обчислюється на основі вимірювання часу, який об'єкт витратив на переміщення між двома або більше точками з координатами, визначеними за попередніми обчисленнями.

Найвідоміші на сьогодні системи супутникової навігації:

• GPS

• ГЛОНАСС

• Galileо

• Бейдоу

                                                     

Всі вони працюють за схожим принципом: для середнього за точністю позиціонування в просторі антена приймача має отримувати сигнал мінімум від 4 супутників системи (або від 3, якщо 1 з координат відома, наприклад, висота над рівнем моря судна в океані – 0 м), але є певні відмінності. Наприклад, кожна супутникова навігаційна система визначає місцезнаходження в «своїй» системі координат, кожна з систем супутникової навігації належить різним країнам чи угрупуванням країн. Але ці чинники не є важливими для користувачів, набагато важливішими відмінностями є нахил та кількість орбіт, на яких знаходяться супутники, а також їх кількість, період обертання навколо Землі, оскільки саме ці параметри найбільше впливають на точність позиціонування. 

                                                       

ГАЛІЛЕО

Галілео – система супутникової навігації Європейського Союзу та Європейського космічного агентства.

Система почала діяти з 15 грудня 2016 року в обмеженому режимі. Повністю розгорнута система складатиметься з 27 активних та 3 запасних супутників, що обертатимуться з висотою 23 222 км над поверхнею Землі з нахилом 56° та періодом близько 14 годин в трьох орбітальних площинах із 9 активними та 1 резервним супутником в кожній. Наземна інфраструктура включає два (в майбутньому – 3) центри управління й глобальну мережу передавальних і приймальних станцій. Після завершення проекту, яке заплановано на 2020 рік, навігаційні сигнали Галілео забезпечать хороше покриття навіть на широтах до 75° північної широти, а точність визначення місцезнаходження об’єкта сягатиме 1 м.

Також у майбутньому стане доступною додаткова функція - супутники Галілео передаватимуть сигнали тривоги від користувачів до регіональних рятувально-координаційних центрів. У відповідь система надсилатиме сигнал користувачам, повідомляючи, що аварійну ситуацію виявлено, що вважається значним оновленням у порівнянні з наявною системою, яка не забезпечує зворотного зв'язку.

Бейдоу

Бейдоу - китайська супутникова система навігації. Планується, що космічний сегмент навігаційної супутникової системи Бейдоу буде складатися з орбітального угруповання змішаного типу, що складатиметься з супутників на орбітах 3 типів.

Система Бейдоу почала функціонувати ще в 2003 році, була запущена в комерційну експлуатацію 27 грудня 2012 як регіональна система позиціонування (лише для азіатсько-тихоокеанського регіону), при цьому супутникове угруповання становило 16 супутників. На сьогодні межі надання послуг позиціонування системою Бейдоу продовжують розширятись. Точність позиціонування системи для цивільного населення становить менше 10 метрів, точність вимірювання швидкості менше 0,2 метра в секунду. Планується, що до 2020 року орбітальне угруповання Бейдоу буде складатися з 35 космічних апаратів, з яких 5 Beidou-G перебуватимуть на геостаціонарній орбіті (точки 58,75 ° сх.д., 80 ° сх.д., 110,5 ° сх.д., 140 ° сх.д. і 160 ° сх.д.), 27 Beidou-M - на середній круговій орбіті (висота 21 500 км, період обертання 12 год 53 хв, нахил 55 °) і 3 Beidou-IGSO - на геосинхронних похилих високих орбітах (в трьох площинах, висотою орбіти 35 786 км, нахилом 55 °), підсупутникові точки яких рухаються на поверхні Землі по одній «трасі» у формі вісімки, вісь симетрії якої знаходиться на довготі 118° східної довготи. Це забезпечить перехід системи Бейдоу від статусу регіональної до глобальної системи супутникової навігації. 

GPS (NAVSTAR)

NAVSTAR GPS (Global Positioning System Navigation Satellite Time and Ranging) — високоточна супутникова система навігації , яка дозволяє визначити місцезнаходження об'єкта, його широту, довготу та висоту над рівнем моря, а також напрямок і швидкість його руху. Комплекс NAVSTAR розроблений, утілений і належить Міністерству оборони США.

Станом на сьогодні основою системи є 32 супутники (активні та резервні), що працюють у єдиній мережі й обертаються на шести кругових орбітах, розташованих під кутом 60° одна до одної. На кожній орбіті розміщено по 4 активні супутники, висота орбіт приблизно дорівнює 20 200 км, нахил орбіти - 55°, а період обертання кожного супутника навколо землі дорівнює 12 годинам. Таким чином, із будь-якої точки земної поверхні зазвичай одночасно видно від чотирьох до дванадцяти таких супутників. Кожні 30 секунд супутник передає навігаційні повідомлення, в яких містяться дані про положення супутника в певний момент часу, дані про якість сигналу, похибку супутникового годинника та коефіцієнти моделі іоносфери. Передача сигналу з супутника відбувається на частоті 1575,42 МГц.

Станції керування розміщені в Колорадо-Спрінгз, Дієго-Гарсія, на острові Вознесіння, атолі Кваджелейн і на Гаваях. Вся інформація, що проходить через ці станції, записується ними та передається на головну станцію на авіабазі в Шрівері (штат Колорадо).

Звичайна точність сучасних GPS-приймачів в горизонтальній площині становить 5-10 метрів, та 10-20 метрів за висотою. На території США і Канади є станції WAAS, в Європі діють станції EGNOS, які передають поправки для диференційного режиму, що дозволяє збільшити точність обчислення положення до 1-2 метрів. При використанні більш складного додаткового обладнання точність визначення координат можна довести до 10 см. Проте, невисокий нахил орбіт супутників GPS (приблизно 55°) значно погіршує точність у приполярних регіонах Землі, оскільки супутники GPS невисоко піднімаються над горизонтом.

Проблеми систем супутникової навігації

Недоліком усіх систем супутникової навігації є те, що за певних умов сигнал від супутників може надходити до приймача з затримкою або не надходити взагалі. Оскільки робоча частота GPS лежить у дециметровому діапазоні радіохвиль, рівень прийому сигналу супутників приймачем може значно погіршитись під щільним листям дерев, через велику хмарність. Нормальному прийому сигналів GPS можуть завадити перешкоди від багатьох наземних радіоджерел, а також від магнітних бур. Перешкодами для проходження сигналу також можуть бути: щільна забудова міста (велика кількість хмарочосів), товсті бетонні чи залізобетонні стіни, розміщення приймача у підземному приміщенні. Щоб мінімізувати цей недолік системи супутникової навігації, рекомендовано розміщувати приймач на максимально відкритій місцевості, або, якщо це неможливо, використовувати виносні антени для покращення передачі сигналів.

Перед вибором пристроїв супутникової навігації варто з’ясувати,  які системи супутникової навігації краще функціонують у Вашій місцевості. Наприклад, у полярних регіонах GPS(NAVSTAR) має малу точність, порівняно з ГЛОНАСС (причиною є різний нахил орбіт супутників), хоча загалом GPS забезпечує більш точне визначення місцезнаходження.

                                                     

Також проблемою GPS (та деяких інших систем супутникової навігації) вважається скидання номеру тижня (WNRO -  week number roll over), адже це може повпливати на роботу пристроїв супутникової навігації. У складі навігаційних радіосигналів, що передаються з супутників системи до приймача, міститься номер тижня, максимальне значення якого – 1023. Коли номер тижня досягає значення 1023, лічильник скидає відлік номеру тижня до 0 (приблизно кожні 20 років). Не підготовані до даної події пристрої можуть почати неправильно вираховувати час та дату, що може повпливати на функції пристрою, які залежать від даних параметрів. Для мінімізування впливу WNRO на Ваші пристрої супутникової навігації, необхідно вчасно оновлювати ПЗ та, при виникненні питань, звертатися до виробника. Хороша новина полягає в тому, що з модернізацією GPS (та інших ССН) максимальне значення номеру тижня збільшиться (спеціалісти GPS хочуть збільшити кількість біт лічильника), і про WNRO можна буде не турбуватись значно довше.

Якщо пристрій, що використовує GPS, перебуває в неактивному стані протягом тривалого часу (більше кількох годин), виникає проблема зі швидкістю визначення місцезнаходження при переведенні пристрою в активний стан. Це пов’язано з тим, що пристрою необхідний час, щоб визначити, з якими супутниками йому потрібно зв’язатись, отримати від них сигнали та визначити своє місцезнаходження. Тобто, власнику пристрою доведеться очікувати від 45 секунд (якщо пристрій не був активним кілька годин) до майже 15 хв (якщо пристрій не був активним кілька днів) та, можливо, навіть довше. 

Для того щоб вплив цього недоліку був мінімальним, виробники, в тому числі і ТМ ОКО використовують технології A-GPS або (та) LBS,  а також RTK. Як вони працюють та чим відрізняються?

A-GPS

A-GPS (Assisted GPS) - технологія, яка прискорює «холодний старт» GPS-приймача. Прискорення відбувається завдяки інформації, отриманій через альтернативні канали зв'язку. Коли GPS-приймач перейде із неактивного стану в активний, йому потрібно буде спочатку отримати дані про поточне розташування супутників, а потім вже визначати своє місцезнаходження. Це потребує певних затрат часу. A-GPS допомагає прискорити визначення координат, підключаючись через інтернет до веб-сервера (так званого Assisted-сервера), який вже містить актуальну інформацію про всі супутники. Ця інформація передається через GPRS чи інші типи зв’язку (наприклад, Wi-Fi) на приймач. Таким чином, технологія A-GPS надає пристрою інформацію про розташування потрібних супутників, пришвидшуючи «холодний старт», підвищуючи чутливість приймача та зменшуючи енергоспоживання пристрою. 

                                                         

Проте, дана технологія не може функціонувати поза зоною покриття стільникового зв’язку. Крім того, за A-GPS доводиться платити відповідно до встановленого вашим провайдером тарифу, оскільки вона споживає інтернет-трафік (хоч і незначний).