eng
Выпуск #5/2025
Е. Старовойтов, З. Кондрашов, В. Игнатенко
МЕТОДЫ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ СИНХРОНИЗАЦИИ МЕЖДУ РАДИОНАВИГАЦИОННЫМИ ОПОРНЫМИ СТАНЦИЯМИ ЛОКАЛЬНОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ
МЕТОДЫ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ СИНХРОНИЗАЦИИ МЕЖДУ РАДИОНАВИГАЦИОННЫМИ ОПОРНЫМИ СТАНЦИЯМИ ЛОКАЛЬНОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ
Просмотры: 1040
DOI: 10.22184/1992-4178.2025.246.5.114.120
Локальные системы навигации могут использоваться для определения местоположения абонентов при отсутствии сигналов глобальных навигационных спутниковых систем. В статье рассматриваются методы передачи сигналов синхронизации между радионавигационными опорными станциями локальной навигационной системы.
Локальные системы навигации могут использоваться для определения местоположения абонентов при отсутствии сигналов глобальных навигационных спутниковых систем. В статье рассматриваются методы передачи сигналов синхронизации между радионавигационными опорными станциями локальной навигационной системы.
Теги: fiber optic cable global navigation satellite systems local navigation systems radio navigation base stations radio relay line synchronization signals глобальные навигационные спутниковые системы локальные системы навигации оптоволоконный кабель радионавигационные опорные станции радиорелейная линия сигналы синхронизации
Методы передачи сигналов синхронизации между радионавигационными опорными станциями локальной навигационной системы
Е. Старовойтов, к. т. н. Кондрашов, В. Игнатенко
При отсутствии сигналов глобальных навигационных спутниковых систем для бесперебойной работы транспортных систем и логистических коридоров могут использоваться локальные системы навигации, позволяющие определять местоположение абонентов в зоне покрытия радионавигационных опорных станций. Для создания локальных систем навигации, обеспечивающих субметровую точность, соизмеримую с данными глобальных навигационных спутниковых систем в дифференциальном режиме, необходимо решить проблему передачи сигналов синхронизации между радионавигационными опорными станциями.
Введение
Реалии настоящего времени требуют уделять повышенное внимание защищенности транспортных систем и логистических коридоров, бесперебойная работа которых имеет стратегическое значение для экономики страны.
Основным источником навигационных данных для подвижных объектов являются данные глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). В случае потери доступа к их сигналам не должна прекращаться навигация всех видов транспорта в пределах системообразующих инфраструктурных объектов.
В условиях отсутствия сигналов ГНСС могут быть использованы локальные системы навигации (ЛСН), позволяющие определять координаты абонента в зоне покрытия радионавигационных опорных станций (РОС). Некоторые ЛСН способны обеспечивать навигацию даже в условиях сильных помех и преднамеренной имитации сигналов («спуфинга»).
Для построения ЛСН, обеспечивающих навигацию с субметровой точностью, соизмеримой с данными ГНСС в дифференциальном режиме, должны быть решены технические проблемы, одной из которых является передача сигналов синхронизации внутри сети.
Локальные системы навигации АО «НИИМА «Прогресс» совместно с рядом отечественных предприятий занимается разработкой ЛСН, навигационное поле которых создается группой из 3...6 РОС, обеспечивающих покрытие территории площадью около 10 x 10 км,
формируя таким образом отдельную «соту». Несколько подобных «сот» с кодовым или частотным разделением навигационных сигналов позволяют покрыть уже значительно большую площадь. К настоящему времени проработано несколько различных вариантов ЛСН [1–5].
По своим характеристикам наиболее близким аналогом является система LocataNet (Австралия) [6]. Недостатками этой системы является отсутствие авторизации абонентов и низкая помехоустойчивость.
Также известна отечественная коммуникационо-навигационная система (КНС) на базе принципов широковещательной радиосвязи, предназначенной для управления транспортными потоками [7, 8]. К недостаткам этой системы можно отнести работу только в запросном режиме (каждое транспортное средство имеет приемопередатчик) и использование СВЧ-диапазона длин волн, в котором необходимо обеспечить прямую видимость абонентов со стороны стационарных приемопередающих станций и возможно наличие сильных помех различного происхождения.
Сравнительные характеристики нескольких типов ЛСН представлены в табл. 1.
Для обслуживания зоны с большим количеством абонентов предпочтительным является дальномерный беззапросный метод измерений, при котором РОС синхронизируются между собой и с абонентским терминалом для излучения радиосигнала в строго определенный момент времени. Именно такой метод реализован в ЛСН разработки АО «НИИМА «Прогресс».
В беззапросном режиме для ЛСН основной проблемой становится синхронизация РОС, от точности которой зависит погрешность определения координат абонентов. Погрешность измерений в этом случае будет определяться в основном величиной ошибки синхронизации Δtсхр. Поэтому для работы ЛСН необходимо получение частотно-временной информации (ЧВИ), обеспечивающей синхронизацию и привязку к единому времени моментов передачи пакетов данных.
В настоящее время основным средством передачи ЧВИ является отечественная ГНСС ГЛОНАСС, а большинство гражданских потребителей получает ЧВИ от американской ГНСС GPS [9]. Тогда в случае потери сигналов ГНСС синхронизация РОС-Р станет невозможна. Поэтому в ЛСН должно быть предусмотрено использование других методов, независимых от ГНСС.
В ЛСН «КОНСУЛ-Р» предлагается использовать технологию синхронизации Ethernet-сигналов с внешним источником частоты (протокол SyncE), а для синхронизации РОС-Р использовать радиорелейные линии (РРЛ). Стендовые эксперименты с макетами подтвердили синхронизацию с погрешностью не более 10 нс. Дальнейшее повышение точности возможно при переходе на протокол White Rabbit [4, 10].
Наивысшая точность синхронизации может быть достигнута при непосредственной передаче эталонного сигнала по оптическому кабелю на расстояние до 50 км и составляет около 10...50 пс. При использовании коаксиального кабеля, микрополосковой линии или сети наземного телевидения точность снижается до 1...10 нс [11].
Если использовать для построения ЛСН в качестве основы сеть технологической радиосвязи LTE, то применяемые там стандартные методы синхронизации позволяют достигнуть погрешности 3…5 м. Установка на РОС высокостабильных рубидиевых и цезиевых стандартов частоты (Δtсхр ~ 10–13 с) позволит значительно снизить погрешность, но при этом возрастут затраты на развертывание «соты».
Сводные данные по разным методам синхронизации представлены в табл. 2.
Передача сигналов синхронизации по оптическому кабелю
Условия окружающей среды оказывают непосредственное влияние на характеристики передачи сигнала в оптическом волокне, так как температура влияет на показатель преломления (термооптический коэффициент).
При распространении излучения по оптическому волокну возникают фазовые возмущения, источником которых в основном являются температурные флуктуации, приводящие к изменению оптической длины волокна и флуктуациям показателя преломления, вызывающим фазовые сдвиги (доплеровские шумы) [12].
Изменение температуры T влияет на длину оптического пути в оптическом волокне с показателем преломления n и длиной l:
= (l + n ) , (1)
где dn/dT – термооптический коэффициент; dl/dT – коэффициент теплового расширения.
Влияние изменений температуры на точность передачи эталонных сигналов по волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) можно охарактеризовать следующим образом [13].
Погрешность Δt определения времени прихода импульсного сигнала частотой 1 Гц в длинной линии можно оценить следующим образом:
Δt = αЗ·ΔT·l, (2)
где αЗ – температурный коэффициент задержки сигнала в линии; ΔT – полная амплитуда (размах) температурной волны.
На погрешность будут влиять циклические изменения температуры окружающей среды, амплитуда которых будет зависеть от способа прокладки кабеля (на столбах линий электропередачи, непосредственно в грунте или в грунте в кабельном канале). Под землей амплитуда температурных колебаний уменьшается, но прокладка ВОЛС в грунте представляет собой трудоемкую и длительную операцию, выполняемую при температуре окружающей среды не ниже минус 10 °С.
На рис. 1 показана зависимость Δt от температуры грунта для одномодового оптического волокна длиной 10 км. Средние за декаду температуры грунта на глубине 1,6 м под естественным покровом в Московском регионе взяты из работы [14]. Для оценки принято типовое значение температурного коэффициента задержки сигнала в линии αЗ = 84 пс/(км·К) и αЗ = 7 пс/(км·К), соответствующее фазостабильному оптическому волокну [15]. Сделано допущение, что ВОЛС откалибрована при средней температуре 7,7 °С.
Дополнительно, при прокладке ВОЛС необходимо принимать во внимание задержки сигнала на всех ее элементах, связанные с разницей температур отдельных элементов и окружающей их среды. При этом элементы одного типа и модели могут иметь отличающийся температурный коэффициент задержки (от 3 до 40 пс/К, в зависимости от типа элемента), в связи с чем источник эталонной частоты и приемник должны быть термостатированы. Для компенсации температурных искажений могут применяться различные способы на основе линий задержки сигнала, ФАПЧ и др. [15].
Передача сигналов синхронизации по радиорелейной линии
В сложных физико-географических условиях или при необходимости оперативного развертывания высокоскоростной сети связи для ее построения применяют РРЛ, работающую в диапазоне миллиметровых волн, при использовании которого не требуется лицензирование или достаточно только уведомительной процедуры. Однако на качество связи и устойчивость РРЛ значительное влияние оказывают атмосферные осадки [16].
В данном диапазоне используются пять частотных полос: Q-диапазон (40,5…43,5 ГГц), V-диапазон (57…64 ГГц) и E-диапазон (71…76, 81…86, 92…95 ГГц). Обязательным условием для нормальной работы РРЛ является наличие прямой видимости на радиотрассе.
На частотах до 38 ГГц затухание в атмосфере не превышает 0,3 дБ/км. За ним следует сильное затухание на 60 ГГц до 14 дБ/км, обусловленное поглощением радиоволн молекулами кислорода. Окно относительной прозрачности находится в диапазоне 70...100 ГГц, в котором затухание составляет около 1,5 дБ/км. На частотах выше 100 ГГц уже начинают проявляться эффекты молекулярного поглощения, ограничивающие дальность распространения сигналов.
Поэтому в РРЛ широко используется первая полоса (71…76 ГГц) E-диапазона частот, при работе в которой можно обеспечить дальность передачи сигналов 5...10 км.
Но в то же время дожди с интенсивностью осадков 0,4 мм/мин вызывают затухание до 10 дБ/км, что объясняется близким к длине волны (3...4 мм) размером капель воды. При этом наличие в атмосфере пыли, песка, снега и дыма практически не влияет на функционирование РРЛ, поскольку размеры этих частиц значительно меньше. Для развертывания РРЛ в определенном географическом районе используют карты однотипных зон выпадения осадков для разных регионов, в которых учитывается их интенсивность и годовая норма [17].
Затухание радиосигналов в дожде оценивается по следующей формуле [16]:
LД = γД·DД·KD, (3)
где γД – погонное затухание в дожде; DД – длина радиотрассы, проходящей через дождь; KD – коэффициент неравномерности дождя вдоль радиотрассы.
Значения величин γД и KD определяются с учетом географии расположения зоны, в которой прокладывается радиотрасса. При этом потери на радиотрассе для РРЛ определяются другим известным выражением, которое определяет мощность принимаемого сигнала следующим образом:
РПРМ = РПРД + GПРД + GПРМ – L0 – LАФТ – LА – LД, (4)
где РПРД – мощность излучаемого сигнала; GПРД, GПРМ – коэффициенты усиления передающей и приемной антенны; L0 – потери при распространении в свободном пространстве; LАФТ – суммарное затухание в антенно-фидерном тракте; LА – потери из-за поглощения в атмосфере.
Для развернутой радиотрассы в левой части (4) величины РПРД, GПРД, GПРМ, L0, LАФТ являются константами, значение LА изменяется мало, а LД может значительно увеличиваться при наличии осадков. Очевидно, что РРЛ должна иметь большой запас по энергетике, чтобы обеспечить непрерывное функционирование независимо от погоды. При этом величина РПРД ограничивается требованиями, установленными государственными органами, осуществляющими распределение и контроль за использованием радиочастот. Повышение значений GПРД, GПРМ возможно за счет использования антенн больших размеров, возросшая масса и парусность которых приведут к увеличению нагрузки на мачту.
Однако, согласно ГОСТ 15150-69 «Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды» продолжительность дождя с интенсивностью около 0,5 мм/мин в районах с умеренным и холодным климатом составляет до 5 ч подряд.
Тогда, при использовании в РОС опорного генератора с нестабильностью Δt/t = Δf/f = 10–11, менее чем через 1,5 ч произойдет ухудшение точности определения местоположения до 15 м. На рис. 2 представлена зависимость момента наступления времени ухудшения точности ЛСН до 15 м от величины нестабильности опорного генератора РОС.
Требование прямой видимости терминалов РРЛ сложно выполнить на практике при наличии растительности. В соответствии с рекомендацией МСЭ-R P.833-9 «Ослабление сигналов растительностью», ослабление радиосигнала при прохождении через обильную растительность в лесистой местности в общем случае оценивается следующим образом:
LЛ = LР [1 – exp()], (5)
где LР – максимальное ослабление при определенном типе и глубине растительности; DЛ – длина радиотрассы, проходящей через лес; γР – погонное ослабление
для очень коротких трасс, проходящих через растительный массив.
Величина LР зависит от рабочей частоты:
LР = L1·fрα, (6)
где fр – рабочая частота.
Для работы ЛСН наличие растительности менее критично из-за большей рабочей длины волны (0,64...0,86 м). В то же время наличие растительности вызывает сильное затухание сигналов в диапазоне, используемом РРЛ.
При работе на частотах выше 1 ГГц уже учитывается влияние отдельных деревьев из-за того, что размеры части кроны (ветки, листья) соизмеримы с рабочей длиной волны. Для миллиметровых радиосигналов известно эмпирическое выражение, которое описывает поглощение
в листве на радиотрассе протяженностью до 400 м [18]:
LЛ = 0,2·fр0,3·DЛ0,6, (7)
где DЛ – глубина перекрывающегося слоя листвы.
На рис. 3 представлены кривые затухания в растительности радиосигналов ЛСН с рабочей частотой fр = 350…450 МГц и РРЛ, работающих в Q-, V- и Е-диапазонах на радиотрассе длиной до 400 м. При оценке ЛСН взяты значения коэффициентов для смешанного леса в умеренных широтах: L1 = 1,37 дБ; α = 0,42; γР = 120 дБ/км.
Из рис. 3 хорошо заметна разница в затухании радиосигналов ЛСН и РРЛ всех диапазонов. Отсюда следует вывод, что при развертывании «соты» ЛСН, совмещенной с РРЛ,
в местности с густой растительностью необходимо использовать для установки антенн мачты большой высоты.
Кроме того, движения растительности, вызванные ветром, приводят к дополнительным изменениям уровня сигнала в большом диапазоне значений.
В простейшем приближении влияние ветра можно оценить следующим образом:
LВ = , (8)
где υВ – скорость ветра.
Дополнительно при передаче сигналов синхронизации необходимо принимать во внимание, что после прохождения через растительный покров они будут включать многотрассовые компоненты, появление которых обусловлено рассеянием, приводящие к задержкам при приеме.
Синхронизация по сигналу
от ведущей РОС
Как было показано выше, использование оптического кабеля и РРЛ для синхронизации РОС ограничено влиянием факторов окружающей среды. В АО «НИИМА «Прогресс» был разработан способ помехоустойчивой синхронизации РОС ЛСН [19].
В предлагаемом варианте технической реализации одна из РОС, формирующих «соту», назначается ведущей, а остальные РОС – ведомыми. Ведомая РОС передает сигнал синхронизации, который принимает ведущая РОС и отвечает ведомой. Ведомая РОС вычисляет псевдодальность дальномерным методом, после чего определяет поправку для своего опорного генератора Δtсхр, так как расстояние между фазовыми центрами антенн всех РОС было заранее измерено (например, с использованием геодезических методов). Эта поправка для опорного генератора ведомой РОС относительно ведущей РОС равна
Δtсхр (s) = + Δtсхр (m), (9)
где Δtсхр(m) – погрешность синхронизации опорного генератора ведущей РОС по отношению ко времени синхронизированной «соты»; D01 – псевдодальность, измеренная ведомой РОС; D10 – псевдодальность, измеренная ведущей РОС. Принимая Δtсхр(m) = 0, относительно ведущей РОС синхронизируется вся «сота».
Из выражения (9) видно, что основным источником погрешности будет являться величина Δtсхр(m). При использовании данного метода частота синхронизации будет зависеть от требуемой точности определения местоположения абонента и фактической нестабильности опорных генераторов РОС.
В системе LocataNet также используется самосинхронизация абонентского приемника и передатчика (метод TimeLoc), при которой они обмениваются сигналами на основе псевдослучайной последовательности [20].
Но при этом высокая точность синхронизации (1 нс) достигается путем точного измерения фазы несущей, что делает систему уязвимой к воздействию помех различного происхождения.
Заключение
В статье рассмотрены основные методы передачи сигналов синхронизации между РОС, входящих в состав ЛСН, – с использованием оптического волокна, РРЛ и самосинхронизации.
Достичь максимальной точности синхронизации позволяет использование ВОЛС, однако в районах с умеренным климатом из-за перепадов температур в течение года необходимо принимать меры, существенно удорожающие прокладку кабелей, что приводит к затратам, эквивалентным установке на каждую РОС атомного стандарта частоты.
Применение РРЛ эффективно в местности с редкими дождями. В районах с регулярными интенсивными дождями будет происходить срыв синхронизации РОС до улучшения метеоусловий. Точность определения местоположения абонентов будет снижаться в зависимости от нестабильности опорного генератора. Поэтому в районах с частыми и интенсивными дождями РРЛ может использоваться при условии установки на РОС стабильных опорных генераторов.
Метод самосинхронизации РОС может быть очень эффективным, так как установка дополнительной аппаратуры не требуется, а геодезическая привязка мест установки РОС производится независимо от используемого метода их синхронизации. Основным условием для реализации является неизменность значения погрешности синхронизации опорного генератора ведущей РОС по отношению ко времени синхронизированной «соты».
С учетом многообразия вариантов реализации построения ЛСН при выборе конкретного метода синхронизации РОС должно учитываться большое количество факторов. Навигационное поле может создаваться на объектах разной площади, с отличающимся рельефом местности, растительностью, в разных климатических зонах, особенностями застройки и т.д.
Для учета всех этих факторов и нахождения наилучшего решения необходимо решение задач многокритериальной оптимизации, как это делается в других областях техники.
ЛИТЕРАТУРА
Корнеев И.Л., Егоров В.В. Задачи практического применения локальных систем навигации // Наноиндустрия. Спецвыпуск. 2020. № S96-1. С. 12–17.
Корнеев И.Л., Кузнецов А.С., Королев В.С. Режимы работы локальной системы навигации в проекте «КОНСУЛ». Потребители системы «КОНСУЛ» //Наноиндустрия. Спецвыпуск. 2021. № S7(107). С. 57–59.
Корнеев И.Л., Прасолов В.Ф. Развертывание локальной системы навигации в условиях подавления сигналов ГНСС. Моделирование работы системы в различных конфигурациях // Наноиндустрия. Спецвыпуск. 2024. т.1. № S10-1(128). С. 10–15.
Старовойтов Е.И., Скиба Е.С., Синильщиков И.В., Алпатов А.А. Синхронизация базовых станций в комплексированной навигационносвязной системе «КОНСУЛ-Р» // ЭЛЕКТРОНИКА. Наука. Технология. Бизнес. 2024. № 7. С. 100–104.
Патент № 2825248. Способ определения местоположения абонентских терминалов, перемещающихся в зоне покрытия локальной системы навигации. Дата приор. 27.12.2023. опубл. 22.08.2024 / И.Л. Корнеев, К.Ю. Борисов, З.К. Кондрашов и др. Заявитель АО «НИИМА «Прогресс», АО «ГЛОНАСС». EDN DXVLBU.
Брагин А.С. Сравнительный анализ систем глобального и локального позиционирования. Экономика и качество систем связи. 2021. № 3. С. 71–77. EDN: SZUXXU.
Патент № 2770938. Коммуникационно-навигационная система для управления транспортными потоками. Дата приор. 25.04.2021. Опубл. 25.04.2022 /
Н.А. Грязнов; заявитель Н.А. Грязнов. Грязнов Н.А. Обмен навигационной информацией
для оперативного управления дорожным движением // Информатика и автоматизация. 2023. Т. 22. № 1. С. 33–56.
Блинов И.Ю., Бандура А.С., Батура А.С., Белов Л.Я., Дружин В.Е., Крупская А.В., Скобелин А.А., Тюляков А.Е. Система единого времени Российской Федерации – преодоление новых вызовов. Радионавигация и время: Труды СЗРЦ Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2022. № 10(18). С. 8–20.
EDN: DJCMWY.
Derviskadic A., Razzaghi R., Walger Q., Paolone M. The White Rabbit Time Synchronization Protocol for Synchrophasor Networks // IEEE Transactions on Smart Grid. 2020. 11(1), PP. 726–738.
Прошин Ф.А., Сторожук М.Н., Сторожук Н.Л. Методы синхронизации в сетях связи // Первая миля. 2024. № 2. С. 62–69.
Хабарова К.Ю., Калганова Е.С., Колачевский Н.Н. Передача точных сигналов частоты и времени в оптическом диапазоне // Успехи физических наук. 2018. Т. 188. № 2. С. 221–230.
Powers E., Wheeler P., Judge D., Matsakis D. Hardware delay measurements and sensitivites
in carrier phase time transfer // Proceedings of 30th Annual Precise Time and Time Interval (PTTI) Meeting. 1998, P. 293.
Васильев Г.П., Горнов В.Ф., Константинов П.И., Колесова М.В., Корнева И.А. Анализ изменения температуры грунта на основе многолетних измерений // Инженерно-строительный журнал. 2017. № 4 (72). С. 62–72.
Малимов А.Н. Передача эталонных сигналов времени и частоты по волоконно-оптическим
линиям // Альманх современной метрологии. 2016. № 8. С. 198–268.
Якушенко С.А. Оценка пригодности интервала связи высокоскоростных радиолиний миллиметровых волн // Радиотехнические, оптические и биотехнические
системы, устройства и методы обработки информации. Вторая Всероссийская научная конференция: сборник докладов. СПбГУАП. СПб, 2021. С. 193–200.
Вишневский В., Фролов С., Шахнович И. Радиорелейные линии связи в миллиметровом
диапазоне: новые горизонты скоростей // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес.
2011. № 1. С. 90–97.
Anderson C.R., Rappaport T.S. In-Building Wideband Partition Loss Measurements at 2.5 and 60 GHz // IEEE Transactions Wireless Communications. May 2004. Vol. 3. No 3.
Патент № 2827095. Способ, реализующий точную помехоустойчивую синхронизацию опорных станций локальной навигационной системы. Опубл. 23.09.2024 / И. Л. Корнеев, З. К. Кондрашов, А. В. Григорьев и др.; АО «НИИМА «Прогресс», АО «ГЛОНАСС». EDN DCXNVS.
Barnes J., Rizos C., Wang J., Small D., Voigt G., Nunzio G. LocataNet: Intelligent time-synchronised pseudolite transceivers for cm-level stand-alone positioning // Locata Paper. Nav World Congress. Berlin. 2003.
Е. Старовойтов, к. т. н. Кондрашов, В. Игнатенко
При отсутствии сигналов глобальных навигационных спутниковых систем для бесперебойной работы транспортных систем и логистических коридоров могут использоваться локальные системы навигации, позволяющие определять местоположение абонентов в зоне покрытия радионавигационных опорных станций. Для создания локальных систем навигации, обеспечивающих субметровую точность, соизмеримую с данными глобальных навигационных спутниковых систем в дифференциальном режиме, необходимо решить проблему передачи сигналов синхронизации между радионавигационными опорными станциями.
Введение
Реалии настоящего времени требуют уделять повышенное внимание защищенности транспортных систем и логистических коридоров, бесперебойная работа которых имеет стратегическое значение для экономики страны.
Основным источником навигационных данных для подвижных объектов являются данные глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). В случае потери доступа к их сигналам не должна прекращаться навигация всех видов транспорта в пределах системообразующих инфраструктурных объектов.
В условиях отсутствия сигналов ГНСС могут быть использованы локальные системы навигации (ЛСН), позволяющие определять координаты абонента в зоне покрытия радионавигационных опорных станций (РОС). Некоторые ЛСН способны обеспечивать навигацию даже в условиях сильных помех и преднамеренной имитации сигналов («спуфинга»).
Для построения ЛСН, обеспечивающих навигацию с субметровой точностью, соизмеримой с данными ГНСС в дифференциальном режиме, должны быть решены технические проблемы, одной из которых является передача сигналов синхронизации внутри сети.
Локальные системы навигации АО «НИИМА «Прогресс» совместно с рядом отечественных предприятий занимается разработкой ЛСН, навигационное поле которых создается группой из 3...6 РОС, обеспечивающих покрытие территории площадью около 10 x 10 км,
формируя таким образом отдельную «соту». Несколько подобных «сот» с кодовым или частотным разделением навигационных сигналов позволяют покрыть уже значительно большую площадь. К настоящему времени проработано несколько различных вариантов ЛСН [1–5].
По своим характеристикам наиболее близким аналогом является система LocataNet (Австралия) [6]. Недостатками этой системы является отсутствие авторизации абонентов и низкая помехоустойчивость.
Также известна отечественная коммуникационо-навигационная система (КНС) на базе принципов широковещательной радиосвязи, предназначенной для управления транспортными потоками [7, 8]. К недостаткам этой системы можно отнести работу только в запросном режиме (каждое транспортное средство имеет приемопередатчик) и использование СВЧ-диапазона длин волн, в котором необходимо обеспечить прямую видимость абонентов со стороны стационарных приемопередающих станций и возможно наличие сильных помех различного происхождения.
Сравнительные характеристики нескольких типов ЛСН представлены в табл. 1.
Для обслуживания зоны с большим количеством абонентов предпочтительным является дальномерный беззапросный метод измерений, при котором РОС синхронизируются между собой и с абонентским терминалом для излучения радиосигнала в строго определенный момент времени. Именно такой метод реализован в ЛСН разработки АО «НИИМА «Прогресс».
В беззапросном режиме для ЛСН основной проблемой становится синхронизация РОС, от точности которой зависит погрешность определения координат абонентов. Погрешность измерений в этом случае будет определяться в основном величиной ошибки синхронизации Δtсхр. Поэтому для работы ЛСН необходимо получение частотно-временной информации (ЧВИ), обеспечивающей синхронизацию и привязку к единому времени моментов передачи пакетов данных.
В настоящее время основным средством передачи ЧВИ является отечественная ГНСС ГЛОНАСС, а большинство гражданских потребителей получает ЧВИ от американской ГНСС GPS [9]. Тогда в случае потери сигналов ГНСС синхронизация РОС-Р станет невозможна. Поэтому в ЛСН должно быть предусмотрено использование других методов, независимых от ГНСС.
В ЛСН «КОНСУЛ-Р» предлагается использовать технологию синхронизации Ethernet-сигналов с внешним источником частоты (протокол SyncE), а для синхронизации РОС-Р использовать радиорелейные линии (РРЛ). Стендовые эксперименты с макетами подтвердили синхронизацию с погрешностью не более 10 нс. Дальнейшее повышение точности возможно при переходе на протокол White Rabbit [4, 10].
Наивысшая точность синхронизации может быть достигнута при непосредственной передаче эталонного сигнала по оптическому кабелю на расстояние до 50 км и составляет около 10...50 пс. При использовании коаксиального кабеля, микрополосковой линии или сети наземного телевидения точность снижается до 1...10 нс [11].
Если использовать для построения ЛСН в качестве основы сеть технологической радиосвязи LTE, то применяемые там стандартные методы синхронизации позволяют достигнуть погрешности 3…5 м. Установка на РОС высокостабильных рубидиевых и цезиевых стандартов частоты (Δtсхр ~ 10–13 с) позволит значительно снизить погрешность, но при этом возрастут затраты на развертывание «соты».
Сводные данные по разным методам синхронизации представлены в табл. 2.
Передача сигналов синхронизации по оптическому кабелю
Условия окружающей среды оказывают непосредственное влияние на характеристики передачи сигнала в оптическом волокне, так как температура влияет на показатель преломления (термооптический коэффициент).
При распространении излучения по оптическому волокну возникают фазовые возмущения, источником которых в основном являются температурные флуктуации, приводящие к изменению оптической длины волокна и флуктуациям показателя преломления, вызывающим фазовые сдвиги (доплеровские шумы) [12].
Изменение температуры T влияет на длину оптического пути в оптическом волокне с показателем преломления n и длиной l:
= (l + n ) , (1)
где dn/dT – термооптический коэффициент; dl/dT – коэффициент теплового расширения.
Влияние изменений температуры на точность передачи эталонных сигналов по волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) можно охарактеризовать следующим образом [13].
Погрешность Δt определения времени прихода импульсного сигнала частотой 1 Гц в длинной линии можно оценить следующим образом:
Δt = αЗ·ΔT·l, (2)
где αЗ – температурный коэффициент задержки сигнала в линии; ΔT – полная амплитуда (размах) температурной волны.
На погрешность будут влиять циклические изменения температуры окружающей среды, амплитуда которых будет зависеть от способа прокладки кабеля (на столбах линий электропередачи, непосредственно в грунте или в грунте в кабельном канале). Под землей амплитуда температурных колебаний уменьшается, но прокладка ВОЛС в грунте представляет собой трудоемкую и длительную операцию, выполняемую при температуре окружающей среды не ниже минус 10 °С.
На рис. 1 показана зависимость Δt от температуры грунта для одномодового оптического волокна длиной 10 км. Средние за декаду температуры грунта на глубине 1,6 м под естественным покровом в Московском регионе взяты из работы [14]. Для оценки принято типовое значение температурного коэффициента задержки сигнала в линии αЗ = 84 пс/(км·К) и αЗ = 7 пс/(км·К), соответствующее фазостабильному оптическому волокну [15]. Сделано допущение, что ВОЛС откалибрована при средней температуре 7,7 °С.
Дополнительно, при прокладке ВОЛС необходимо принимать во внимание задержки сигнала на всех ее элементах, связанные с разницей температур отдельных элементов и окружающей их среды. При этом элементы одного типа и модели могут иметь отличающийся температурный коэффициент задержки (от 3 до 40 пс/К, в зависимости от типа элемента), в связи с чем источник эталонной частоты и приемник должны быть термостатированы. Для компенсации температурных искажений могут применяться различные способы на основе линий задержки сигнала, ФАПЧ и др. [15].
Передача сигналов синхронизации по радиорелейной линии
В сложных физико-географических условиях или при необходимости оперативного развертывания высокоскоростной сети связи для ее построения применяют РРЛ, работающую в диапазоне миллиметровых волн, при использовании которого не требуется лицензирование или достаточно только уведомительной процедуры. Однако на качество связи и устойчивость РРЛ значительное влияние оказывают атмосферные осадки [16].
В данном диапазоне используются пять частотных полос: Q-диапазон (40,5…43,5 ГГц), V-диапазон (57…64 ГГц) и E-диапазон (71…76, 81…86, 92…95 ГГц). Обязательным условием для нормальной работы РРЛ является наличие прямой видимости на радиотрассе.
На частотах до 38 ГГц затухание в атмосфере не превышает 0,3 дБ/км. За ним следует сильное затухание на 60 ГГц до 14 дБ/км, обусловленное поглощением радиоволн молекулами кислорода. Окно относительной прозрачности находится в диапазоне 70...100 ГГц, в котором затухание составляет около 1,5 дБ/км. На частотах выше 100 ГГц уже начинают проявляться эффекты молекулярного поглощения, ограничивающие дальность распространения сигналов.
Поэтому в РРЛ широко используется первая полоса (71…76 ГГц) E-диапазона частот, при работе в которой можно обеспечить дальность передачи сигналов 5...10 км.
Но в то же время дожди с интенсивностью осадков 0,4 мм/мин вызывают затухание до 10 дБ/км, что объясняется близким к длине волны (3...4 мм) размером капель воды. При этом наличие в атмосфере пыли, песка, снега и дыма практически не влияет на функционирование РРЛ, поскольку размеры этих частиц значительно меньше. Для развертывания РРЛ в определенном географическом районе используют карты однотипных зон выпадения осадков для разных регионов, в которых учитывается их интенсивность и годовая норма [17].
Затухание радиосигналов в дожде оценивается по следующей формуле [16]:
LД = γД·DД·KD, (3)
где γД – погонное затухание в дожде; DД – длина радиотрассы, проходящей через дождь; KD – коэффициент неравномерности дождя вдоль радиотрассы.
Значения величин γД и KD определяются с учетом географии расположения зоны, в которой прокладывается радиотрасса. При этом потери на радиотрассе для РРЛ определяются другим известным выражением, которое определяет мощность принимаемого сигнала следующим образом:
РПРМ = РПРД + GПРД + GПРМ – L0 – LАФТ – LА – LД, (4)
где РПРД – мощность излучаемого сигнала; GПРД, GПРМ – коэффициенты усиления передающей и приемной антенны; L0 – потери при распространении в свободном пространстве; LАФТ – суммарное затухание в антенно-фидерном тракте; LА – потери из-за поглощения в атмосфере.
Для развернутой радиотрассы в левой части (4) величины РПРД, GПРД, GПРМ, L0, LАФТ являются константами, значение LА изменяется мало, а LД может значительно увеличиваться при наличии осадков. Очевидно, что РРЛ должна иметь большой запас по энергетике, чтобы обеспечить непрерывное функционирование независимо от погоды. При этом величина РПРД ограничивается требованиями, установленными государственными органами, осуществляющими распределение и контроль за использованием радиочастот. Повышение значений GПРД, GПРМ возможно за счет использования антенн больших размеров, возросшая масса и парусность которых приведут к увеличению нагрузки на мачту.
Однако, согласно ГОСТ 15150-69 «Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды» продолжительность дождя с интенсивностью около 0,5 мм/мин в районах с умеренным и холодным климатом составляет до 5 ч подряд.
Тогда, при использовании в РОС опорного генератора с нестабильностью Δt/t = Δf/f = 10–11, менее чем через 1,5 ч произойдет ухудшение точности определения местоположения до 15 м. На рис. 2 представлена зависимость момента наступления времени ухудшения точности ЛСН до 15 м от величины нестабильности опорного генератора РОС.
Требование прямой видимости терминалов РРЛ сложно выполнить на практике при наличии растительности. В соответствии с рекомендацией МСЭ-R P.833-9 «Ослабление сигналов растительностью», ослабление радиосигнала при прохождении через обильную растительность в лесистой местности в общем случае оценивается следующим образом:
LЛ = LР [1 – exp()], (5)
где LР – максимальное ослабление при определенном типе и глубине растительности; DЛ – длина радиотрассы, проходящей через лес; γР – погонное ослабление
для очень коротких трасс, проходящих через растительный массив.
Величина LР зависит от рабочей частоты:
LР = L1·fрα, (6)
где fр – рабочая частота.
Для работы ЛСН наличие растительности менее критично из-за большей рабочей длины волны (0,64...0,86 м). В то же время наличие растительности вызывает сильное затухание сигналов в диапазоне, используемом РРЛ.
При работе на частотах выше 1 ГГц уже учитывается влияние отдельных деревьев из-за того, что размеры части кроны (ветки, листья) соизмеримы с рабочей длиной волны. Для миллиметровых радиосигналов известно эмпирическое выражение, которое описывает поглощение
в листве на радиотрассе протяженностью до 400 м [18]:
LЛ = 0,2·fр0,3·DЛ0,6, (7)
где DЛ – глубина перекрывающегося слоя листвы.
На рис. 3 представлены кривые затухания в растительности радиосигналов ЛСН с рабочей частотой fр = 350…450 МГц и РРЛ, работающих в Q-, V- и Е-диапазонах на радиотрассе длиной до 400 м. При оценке ЛСН взяты значения коэффициентов для смешанного леса в умеренных широтах: L1 = 1,37 дБ; α = 0,42; γР = 120 дБ/км.
Из рис. 3 хорошо заметна разница в затухании радиосигналов ЛСН и РРЛ всех диапазонов. Отсюда следует вывод, что при развертывании «соты» ЛСН, совмещенной с РРЛ,
в местности с густой растительностью необходимо использовать для установки антенн мачты большой высоты.
Кроме того, движения растительности, вызванные ветром, приводят к дополнительным изменениям уровня сигнала в большом диапазоне значений.
В простейшем приближении влияние ветра можно оценить следующим образом:
LВ = , (8)
где υВ – скорость ветра.
Дополнительно при передаче сигналов синхронизации необходимо принимать во внимание, что после прохождения через растительный покров они будут включать многотрассовые компоненты, появление которых обусловлено рассеянием, приводящие к задержкам при приеме.
Синхронизация по сигналу
от ведущей РОС
Как было показано выше, использование оптического кабеля и РРЛ для синхронизации РОС ограничено влиянием факторов окружающей среды. В АО «НИИМА «Прогресс» был разработан способ помехоустойчивой синхронизации РОС ЛСН [19].
В предлагаемом варианте технической реализации одна из РОС, формирующих «соту», назначается ведущей, а остальные РОС – ведомыми. Ведомая РОС передает сигнал синхронизации, который принимает ведущая РОС и отвечает ведомой. Ведомая РОС вычисляет псевдодальность дальномерным методом, после чего определяет поправку для своего опорного генератора Δtсхр, так как расстояние между фазовыми центрами антенн всех РОС было заранее измерено (например, с использованием геодезических методов). Эта поправка для опорного генератора ведомой РОС относительно ведущей РОС равна
Δtсхр (s) = + Δtсхр (m), (9)
где Δtсхр(m) – погрешность синхронизации опорного генератора ведущей РОС по отношению ко времени синхронизированной «соты»; D01 – псевдодальность, измеренная ведомой РОС; D10 – псевдодальность, измеренная ведущей РОС. Принимая Δtсхр(m) = 0, относительно ведущей РОС синхронизируется вся «сота».
Из выражения (9) видно, что основным источником погрешности будет являться величина Δtсхр(m). При использовании данного метода частота синхронизации будет зависеть от требуемой точности определения местоположения абонента и фактической нестабильности опорных генераторов РОС.
В системе LocataNet также используется самосинхронизация абонентского приемника и передатчика (метод TimeLoc), при которой они обмениваются сигналами на основе псевдослучайной последовательности [20].
Но при этом высокая точность синхронизации (1 нс) достигается путем точного измерения фазы несущей, что делает систему уязвимой к воздействию помех различного происхождения.
Заключение
В статье рассмотрены основные методы передачи сигналов синхронизации между РОС, входящих в состав ЛСН, – с использованием оптического волокна, РРЛ и самосинхронизации.
Достичь максимальной точности синхронизации позволяет использование ВОЛС, однако в районах с умеренным климатом из-за перепадов температур в течение года необходимо принимать меры, существенно удорожающие прокладку кабелей, что приводит к затратам, эквивалентным установке на каждую РОС атомного стандарта частоты.
Применение РРЛ эффективно в местности с редкими дождями. В районах с регулярными интенсивными дождями будет происходить срыв синхронизации РОС до улучшения метеоусловий. Точность определения местоположения абонентов будет снижаться в зависимости от нестабильности опорного генератора. Поэтому в районах с частыми и интенсивными дождями РРЛ может использоваться при условии установки на РОС стабильных опорных генераторов.
Метод самосинхронизации РОС может быть очень эффективным, так как установка дополнительной аппаратуры не требуется, а геодезическая привязка мест установки РОС производится независимо от используемого метода их синхронизации. Основным условием для реализации является неизменность значения погрешности синхронизации опорного генератора ведущей РОС по отношению ко времени синхронизированной «соты».
С учетом многообразия вариантов реализации построения ЛСН при выборе конкретного метода синхронизации РОС должно учитываться большое количество факторов. Навигационное поле может создаваться на объектах разной площади, с отличающимся рельефом местности, растительностью, в разных климатических зонах, особенностями застройки и т.д.
Для учета всех этих факторов и нахождения наилучшего решения необходимо решение задач многокритериальной оптимизации, как это делается в других областях техники.
ЛИТЕРАТУРА
Корнеев И.Л., Егоров В.В. Задачи практического применения локальных систем навигации // Наноиндустрия. Спецвыпуск. 2020. № S96-1. С. 12–17.
Корнеев И.Л., Кузнецов А.С., Королев В.С. Режимы работы локальной системы навигации в проекте «КОНСУЛ». Потребители системы «КОНСУЛ» //Наноиндустрия. Спецвыпуск. 2021. № S7(107). С. 57–59.
Корнеев И.Л., Прасолов В.Ф. Развертывание локальной системы навигации в условиях подавления сигналов ГНСС. Моделирование работы системы в различных конфигурациях // Наноиндустрия. Спецвыпуск. 2024. т.1. № S10-1(128). С. 10–15.
Старовойтов Е.И., Скиба Е.С., Синильщиков И.В., Алпатов А.А. Синхронизация базовых станций в комплексированной навигационносвязной системе «КОНСУЛ-Р» // ЭЛЕКТРОНИКА. Наука. Технология. Бизнес. 2024. № 7. С. 100–104.
Патент № 2825248. Способ определения местоположения абонентских терминалов, перемещающихся в зоне покрытия локальной системы навигации. Дата приор. 27.12.2023. опубл. 22.08.2024 / И.Л. Корнеев, К.Ю. Борисов, З.К. Кондрашов и др. Заявитель АО «НИИМА «Прогресс», АО «ГЛОНАСС». EDN DXVLBU.
Брагин А.С. Сравнительный анализ систем глобального и локального позиционирования. Экономика и качество систем связи. 2021. № 3. С. 71–77. EDN: SZUXXU.
Патент № 2770938. Коммуникационно-навигационная система для управления транспортными потоками. Дата приор. 25.04.2021. Опубл. 25.04.2022 /
Н.А. Грязнов; заявитель Н.А. Грязнов. Грязнов Н.А. Обмен навигационной информацией
для оперативного управления дорожным движением // Информатика и автоматизация. 2023. Т. 22. № 1. С. 33–56.
Блинов И.Ю., Бандура А.С., Батура А.С., Белов Л.Я., Дружин В.Е., Крупская А.В., Скобелин А.А., Тюляков А.Е. Система единого времени Российской Федерации – преодоление новых вызовов. Радионавигация и время: Труды СЗРЦ Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2022. № 10(18). С. 8–20.
EDN: DJCMWY.
Derviskadic A., Razzaghi R., Walger Q., Paolone M. The White Rabbit Time Synchronization Protocol for Synchrophasor Networks // IEEE Transactions on Smart Grid. 2020. 11(1), PP. 726–738.
Прошин Ф.А., Сторожук М.Н., Сторожук Н.Л. Методы синхронизации в сетях связи // Первая миля. 2024. № 2. С. 62–69.
Хабарова К.Ю., Калганова Е.С., Колачевский Н.Н. Передача точных сигналов частоты и времени в оптическом диапазоне // Успехи физических наук. 2018. Т. 188. № 2. С. 221–230.
Powers E., Wheeler P., Judge D., Matsakis D. Hardware delay measurements and sensitivites
in carrier phase time transfer // Proceedings of 30th Annual Precise Time and Time Interval (PTTI) Meeting. 1998, P. 293.
Васильев Г.П., Горнов В.Ф., Константинов П.И., Колесова М.В., Корнева И.А. Анализ изменения температуры грунта на основе многолетних измерений // Инженерно-строительный журнал. 2017. № 4 (72). С. 62–72.
Малимов А.Н. Передача эталонных сигналов времени и частоты по волоконно-оптическим
линиям // Альманх современной метрологии. 2016. № 8. С. 198–268.
Якушенко С.А. Оценка пригодности интервала связи высокоскоростных радиолиний миллиметровых волн // Радиотехнические, оптические и биотехнические
системы, устройства и методы обработки информации. Вторая Всероссийская научная конференция: сборник докладов. СПбГУАП. СПб, 2021. С. 193–200.
Вишневский В., Фролов С., Шахнович И. Радиорелейные линии связи в миллиметровом
диапазоне: новые горизонты скоростей // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес.
2011. № 1. С. 90–97.
Anderson C.R., Rappaport T.S. In-Building Wideband Partition Loss Measurements at 2.5 and 60 GHz // IEEE Transactions Wireless Communications. May 2004. Vol. 3. No 3.
Патент № 2827095. Способ, реализующий точную помехоустойчивую синхронизацию опорных станций локальной навигационной системы. Опубл. 23.09.2024 / И. Л. Корнеев, З. К. Кондрашов, А. В. Григорьев и др.; АО «НИИМА «Прогресс», АО «ГЛОНАСС». EDN DCXNVS.
Barnes J., Rizos C., Wang J., Small D., Voigt G., Nunzio G. LocataNet: Intelligent time-synchronised pseudolite transceivers for cm-level stand-alone positioning // Locata Paper. Nav World Congress. Berlin. 2003.
Отзывы читателей
