РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
2017, том 4, выпуск 1, c. 8–14
КОСМИЧЕСКИЕ НАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И ПРИБОРЫ.
РАДИОЛОКАЦИЯ И РАДИОНАВИГАЦИЯ
УДК 621.396.99
Выбор протоколов передачи ассистирующей информации
по каналам сотовой связи для системы А-ГЛОНАСС
С. В.Трусов1, О.И.Барабошкин, С. А.Бобровский
1кандидат технических наук,
АО «Российские космические системы»
e-mail: ipelka@mail.ru
Аннотация.Широкое внедрение технологий спутниковой навигации в повседневную жизнь приводит к тому, что большинство
пользователей навигационных приемников находятся в условиях городской застройки или лесопарков, т. е. ухудшения навигационных
сигналов. Для улучшения качества навигации в мире применяют технологию А-ГНСС. Технология предназначена
для предоставления навигационному приемнику ассистирующей информации по сетям мобильной связи. Данное исследование
проводится в рамках разработки варианта А-ГНСС, ориентированного в первую очередь на аппаратуру пользователей системыГЛОНАСС.
В статье представлены результатыпоиска оптимального способа предоставления ассистирующей информации
в пользовательские устройства с учетом различных возможностей уже имеющегося парка навигационной аппаратуры.
Проведен анализ состава необходимой ассистирующей информации. Рассмотренывозможности существующих протоколов,
сформированы требования к протоколам передачи данных в перспективной системе. Было показано, что сегодня не существует
универсального стандартизированного протокола передачи ассистирующей информации без привязки к стандартам сетей связи,
кроме стандарта SUPL, который поддерживается большинством современных смартфонов. В то же время SUPL ресурсоемок
в реализации и избыточен для предоставления ассистирующей информации, что делает его непопулярным у производителей
бюджетных трекеров и навигаторов. Для этих устройств авторами был разработан нетребовательный к вычислительным
и сетевым ресурсам протокол FNM. Пакет данных для быстрого старта навигационного приемника составляет в FNM 3 Кб.
Протокол позволяет запрашивать и получать весь спектр ассистирующей информации, а также поддерживает функции мониторинга
изменения топологии сотовых сетей и местоположения абонента.
В результате рассмотрения возможностей различных протоколов было решено в перспективной системе для передачи
ассистирующей информации реализовать поддержку как стандарта SUPL в версии 2.0, так и протокола FNM.
Ключевые слова: ассистирующие системы, А-GPS, А-ГЛОНАСС, SUPL, FNM
Selection of the Assistance Data Transfer Protocols
through Cellular Channels for the A-GLONASS System
S.V.Trusov1, O.I.Baraboshkin, S.A.Bobrovskiy
1candidate of engineering sciences,
Joint Stock Company “Russian Space Systems”
e-mail: ipelka@mail.ru
Abstract. The widespread adoption of satellite navigation technologies in everyday life leads to the fact that most users of navigation
receivers are located in urban areas or parks, i. e. the areas in which the deterioration of navigation signals occurs. The A-GNSS
is employed worldwide to improve the quality of navigation. The technology is designed to provide assisted information to the navigation
receiver using a mobile networks. The study is conducted as a part of development of the A-GNSS version, oriented primarily
to the GLONASS system user equipment. The results of the searching for the optimal method to provide the assistance information
to the user device are reported in the article. The method takes into account various possibilities of the existing navigation equipment.
The analysis of the composition of the necessary assisting information is carried out. The possibilities of the existing protocols
are examined; the requirements for data transmission protocols in the future system are drawn up. It has been shown that today there
is no universal standardized protocol for the assistance information transfer without the reference to networks standards, except the
SUPL standard, which is supported by most modern smartphones. However, the SUPL standard is resource-intensive and redundant
for the assistance information transfer, which makes it unpopular with the producers of the budget trackers and navigators. For these
devices, the authors have developed the FNM protocol, undemanding to the computing and network resources. The data package for
a quick start of a navigation receiver is 3 Kb with FNM. The protocol allows the user to request and receive the entire range of the
assistance information and supports the monitoring of the changes in cellular network topologies and subscriber location.
As a result of consideration of the potential protocols, it has been decided to implement the support for both SUPL 2.0 standard
and the FNM protocol in the future system for the transmission of the assistance information.
Keywords: assisting systems, A-GPS, A-GLONASS, SUPL, FNM
Стр.1
ВЫБОР ПРОТОКОЛОВ ПЕРЕДАЧИ АССИСТИРУЮЩЕЙ ИНФОРМАЦИИ
Введение
Спутниковые навигационные системы
ГЛОНАСС и GPS позволяют любому пользователю,
оснащенному абонентской навигационной
аппаратурой, независимо от района нахождения,
непрерывно в любой момент времени с высокой
точностью определять свои координаты. Однако
в городах, на сильно пересеченной и лесистой
местности заявленные характеристики по точности
и надежности местоопределений не всегда достижимы.
Это обусловлено тем, что изначально использование
глобальных навигационных спутниковых
систем (ГНСС) планировалось для навигационного
обеспечения потребителей только на открытых
и свободных от затенений пространствах
на Земле, в воздушном и космическом пространствах,
и использование их информации в условиях
больших затенений не предусматривалось.
Повсеместное внедрение технологий спутниковой
навигации в повседневную жизнь привело
к увеличению количества пользователей ГНСС,
большую часть времени находящихся в условиях
городской застройки (например, транспортные
средства, пешеходы, работники офисов и предприятий,
сотрудники полиции, МЧС и др.). При этом,
несмотря на то, что орбитальные группировки основных
ГНСС ГЛОНАСС и GPS содержат более
50 рабочих космических аппаратов, двухсистемный
приемник на улицах городов часто может принимать
сигналытолько от 3–5 спутников и даже менее,
а геометрия наблюдения навигационных спутников
далека от оптимальной.
Еще одним фактором, затрудняющим использование
ГНСС-приемников в широком спектре задач,
является режим включения приемника после
перерыва в работе более 2 ч, известный как «холодный
старт», при котором задержка в определении
координат составляет не менее 30 с даже
при наличии достаточного количества спутников
в зоне видимости. Эта задержка связана с необходимостью
выделения из спутникового сигнала
необходимой навигационной информации и определяется
форматом кадра и скоростью передачи
данных.
Для решения указанных задач в мире уже
более 10 лет используется технология передачи
9
ассистирующей информации в приемник преимущественно
по каналам сотовой связи [1]. Поскольку
изначально технология развивалась для поддержки
приемников системыGPS, она называлась
«Assisted GPS». С развитием мультисистемных
приемников технология приобрела более общее
название А-ГНСС.
Технология А-ГНСС реализована у ряда зарубежных
компаний, таких как Broadcom, Qualcomm,
Nokia, Google и некоторых других.
В России в настоящее время прорабатывается
облик собственного варианта технологии для
обеспечения поддержки пользователей приемников
ГЛОНАСС и мультисистемных приемников ассистирующей
информацией, формируемой на основе
данных от российских средств наблюдения
(А-ГЛОНАСС). Цель данного исследования состоит
в определении оптимального протокола передачи
ассистирующейинформацииот сервера,где
она подготавливается, до навигационной аппаратурыпотребителя
(НАП), оснащенной модемом сотовой
связи.
Состав ассистирующей информации
Для улучшения характеристик существующих
ГНСС создаются функциональные дополнения под
решение конкретных задач. Так, для обеспечения
дециметровой точности владельцев одночастотной
НАП созданысистемы широкозонной дифференциальной
коррекции (WAAS, СДКМ, EGNOS и др.).
Данные передаются как через спутник, так и по
сети Интернет (протокол SISNet). Для обеспечения
сантиметровой точности в реальном времени
создают RTK-системы, транслирующие текущие
поправки к фазе несущей и псевдодальностям
и имеющие радиус действия порядка десятков
километров. Данные предоставляются как по
радиоканалу, так и по сети Интернет (протокол
NTRIP). Основным улучшаемым параметром в ассистирующих
системах является время до первого
местоопределения (англ. TTFF). Ряд параметров
влияет на чувствительность и помехозащищенность
приемника. Ассистирующая навигационная
информация, передаваемая в НАП, представлена
втабл.1.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 4 вып. 1 2017
Стр.2
10
С. В.ТРУСОВ, О.И.БАРАБОШКИН, С. А.БОБРОВСКИЙ
Та б лица 1. Состав и назначение ассистирующей навигационной информации
Тип данных
Эфемериды
Время
Доплеровский сдвиг
Первая производная доплеровского
сдвига
Список видимых спутников
Возвышение и азимут спутника
Альманах
Приблизительное расположение НАП
Оценка кодовой задержки
«Расширенные» эфемериды
Параметрыионосферной модели
Временной сдвиг между UTC и GPS
Временной сдвиг между различными
ГНСС и GPS
Сообщение целостности
Дифференциальные поправки для часов,
частотыи эфемерид спутника
Дифференциальные поправки
кпсевдодальностям
Дифференциальные поправки
к кодовой задержке
Дифференциальные поправки
кфазенесущей
Измерения кодовой задержки
Измерения фазынесущей
Основные протоколы
существующей аппаратуры
Для передачи ассистирующей информации
по сетям сотовой связи в настоящее время используются
стандарты, определяемые тремя основными
Область
применения
A-ГНСС
A-ГНСС
A-ГНСС
A-ГНСС
A-ГНСС
A-ГНСС
A-ГНСС
A-ГНСС
A-ГНСС
A-ГНСС (офлайн)
A-ГНСС
A-ГНСС
A-ГНСС
Диф. коррекция
Диф. коррекция
Диф. коррекция
Диф. коррекция
Диф. коррекция
Диф. коррекция
Диф. коррекция
Цель
Моментальное
позиционирование
-«»-«»-«»-«»-«»-«»-«»-«»Позиционирование
при
отсутствии внешней ассист.
информации
Любое позиционирование
Разное
Позиционирование
в условиях ограниченной
видимости спутников
Надежность
Дифференциальное
позиционирование
Дифференциальное
позиционирование
Дифференциальное
и RTK-позиционирование
RTK-позиционирование
Дифференциальное
и RTK-позиционирование
RTK-позиционирование
TTFF
Точность
TTFF
Минимальное
количество
спутников
Целостность
Точность, дм/м
Точность, дм/м
Точность, см
Точность, см
Точность, см
Точность, см
консорциумами производителей мобильной аппаратуры3GPP,
3GPP2 и OMA. При этом первые
две организации разрабатывают стандарты
передачи ассистирующей информации в плоскости
управления мобильных сетей (GSM, UMTS,
LTE, CDMA и CDMA2000), а третья занимается
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 4 вып. 1 2017
Улучшаемый
параметр
TTFF
TTFF
Чувствительность
Чувствительность
TTFF
TTFF
TTFF
TTFF
TTFF
TTFF
Стр.3
ВЫБОР ПРОТОКОЛОВ ПЕРЕДАЧИ АССИСТИРУЮЩЕЙ ИНФОРМАЦИИ
разработкой стандарта SUPL, который обеспечивает
доставку ассистирующей информации в плоскости
пользователя, т. е. по IP-каналам, без привязки
к стандарту сотовой связи. Параллельно
с процессом стандартизации передаваемых данных
некоторые крупные фирмы-производители приемников
ГНСС разработали собственные технологии
подготовки и передачи ассистирующей информации.
Рассмотрим
реализацию ассистирующих технологий
у основных производителей ГНСС приемников
широкого применения.
GpsOne — собственная технология компании
Qualcomm, которая заключается в получении
по протоколу HTTP файла с расширенными эфемеридами
[2].
Технология LTO (Long Term Orbit) является
собственной разработкой компании Broadcom
и аналогична технологии gpsOne. Используется на
всех аппаратах iPhoneверсий3,3GS и4.
EPO (Extended Prediction Orbit) — одна
из фирменных технологий А-GPS компании MediaTek
на основе собственных серверов, поддерживающая
предсказание орбит спутников на срок
до 30 дней [2].
Компания U-blox предоставляет пользователям
своих продуктов ассистирующую информацию
с использованием собственной технологии AssistNow
[3], использующей передачу вспомогательной
информации по проприетарному протоколу с использованием
протокола НТТР.
Поддержка стандарта SUPL встречается как
в чипах компании Broadcom, так и в чипах SiRF,
Marvell, Enfоra инекоторыхдругих(табл.2), иих
количество растет. Причиной этого является внедрение
протокола SUPL в мобильные операционные
системы, под управлением которых работают многие
современные смартфоны и навигаторы. Поддержка
SUPL обеспечивается в операционных системах
Android и Windows Phone.
В табл. 3 приведеныосновные российские разработчики
спутниковой навигационной аппаратуры
и показанывозможности этой аппаратуры в части
использования ассистирующей информации.
Как видно из приведенной таблицы, только
три российских производителя НАП ГНСС
на сегодняшний день поддерживают возможность
11
Та б лица 2. Форматыподдержки ассистирующей информации
у зарубежных производителей
приемников ГНСС ПротоколыА-ГНСС
Qualcomm
Broadcom
SiRF
Производитель
SUPL, gpsOne
SUPL, LTO
SUPL
U-blox
MediaTek
Enfora
AssistNow
SUPL, EPO
SUPL, LTO
использования ассистирующей информации. При
этом у каждого из производителей собственный
протокол передачи ассистирующей информации
в приемник.
Выбор протоколов для системы
А-ГЛОНАСС
Обзор реализации ассистирующих технологий,
которые присутствуют в настоящий момент
на рынке ГНСС-устройств с сетевой поддержкой,
показывает, что многие производители
ГНСС-чипов используют собственные протоколы
передачи и собственные технологии формирования
данных поддержки, а в ряде случаев (Broadcom)
и собственные сети сбора данных. В то же время
существует ряд устройств, поддерживающих стандартизированный
протокол SUPL.
Приреализациитехнологии А-ГЛОНАСС использовать
проприетарные технологии нецелесообразно,
поэтому остаются два пути для выбора способа
предоставления информации: использование
существующих стандартов либо разработка собственного
протокола.
Из стандартизованных протоколов в настоящее
время производителями приемников используется
только протокол SUPL. Применение стандартизованного
протокола, поддержка которого уже
заложена в ряде приемников, обеспечит доступность
перспективной технологии А-ГЛОНАСС как
минимум на всех этих приемниках.
Дополнительное преимущество использования
протокола SUPL — его поддержка в таких встраРАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 4 вып. 1 2017
Стр.4
12
С. В.ТРУСОВ, О.И.БАРАБОШКИН, С. А.БОБРОВСКИЙ
Та б лица 3. Наличие приемников с режимом информационной поддержки у российских производителей
Производитель
АО «МКБ “Компас”»
АО «РИРВ»
АО «КБ НАВИС»
АО «Ижевский радиозавод»
ООО «ОКБ Вектор»
ГК «НТЛаб»
ООО ДЦ «Геостар Навигация»
ООО «НАВИА»
АО «НИИ КП»
Режим инф. поддержки в НАП Формат передачи АИ в приемник
–
–
+
–
–
–
+
+
–
иваемых операционных системах для мобильных
устройств, как Android и Windows Phone. В настоящее
время в этих устройствах предлагается
использование одной из SUPL-платформ. Одна
из них — решение от компании Google
(supl.google.com), а второе от компании Nokia
(supl.nokia.com). При использовании в качестве
протокола обмена между НАП и сервером поддержки
протокола SUPL в реализации технологии
А-ГЛОНАСС в профили (настройки) операционных
систем достаточно будет внести еще одну конфигурационную
настройку (например, supl.glonass.ru)
и устройства под управлением ОС «Android» смогут
использовать информацию поддержки, предоставляемую
сервером А-ГЛОНАСС. При этом информация
о местонахождении российских абонентов
сотовых сетей, использующих стандарт SUPL
(большинство смартфонов), не будет передаваться
дальше российского SUPL-сервера.
Как следует из представленного в табл. 3 сравнения
поддержки различными протоколами возможности
передачи ассистирующей информации,
наиболее полно требуемая информация представлена
в протоколе SUPL с контейнером RRLP. Инициирование
SUPL-сессии сопровождается передачей
идентификатора обслуживающей базовой станции
сотовой сети, что позволяет вычислить приблизительное
местоположение приемника и предоставить
ему только актуальную информацию.
Из недостатков протокола SUPL можно назвать
его избыточность по отношению к решению
Собственный бинарный (BINR)
Собственный бинарный
ST–AGPS, EPO
задачи предоставления ассистирующей информации.
Помимо этого, стандарт SUPL дает возможность
оператору сервера ассистирующей информации
(в настоящее время такими операторами являются
только иностранные компании) отслеживать
местоположение смартфона. Также в стандарте
SUPL 2.0 отсутствует поддержка передачи информации
СДКМ.
В рамках рассмотрения целесообразности разработки
нового протокола для предоставления ассистирующей
информации было проведено детальное
исследование характеристик протоколов стандартаSUPL
ивозможностейсовременныхНАП
с акцентом на отечественных разработчиков. В результате
было выявлено, что у большинства отечественных
НАП в приемном модуле отсутствует
возможность использования ассистирующей информации,
а у тех производителей, приемные модули
которых поддерживают возможность использования
ассистирующей информации (АО «КБ НАВИС»,
ООО «НАВИА», ДЦ «Геостар Навигация»), возможностей
процессора недостаточно для реализации
протокола SUPL. Сегодняшние технические средства,способныеподдерживатьSUPL,—
это смартфоны
и планшетные компьютеры, в которых уже используется
подключение к SUPL-серверам Google
и Nokia, т. е. они уже обеспеченысервисом навигационной
поддержки. Остальные НАП, используемые
в различных системах мониторинга транспорта,
сотрудников и т.п., не обладают достаточными вычислительными
ресурсами для реализации SUPL.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 4 вып. 1 2017
Стр.5
ВЫБОР ПРОТОКОЛОВ ПЕРЕДАЧИ АССИСТИРУЮЩЕЙ ИНФОРМАЦИИ
Та б лица 4. Поддержка различными протоколами возможности передачи ассистирующей информации
Тип данных
Эфемериды
Время
Доплеровский сдвиг
Первая производная доплеровского сдвига
Список видимых спутников
Возвышение и азимут спутника
Альманах
Приблизительное расположение НАП
Оценка кодовой задержки
«Расширенные» эфемериды
Параметрыионосферной модели
Временной сдвиг между UTC и GPS
Временной сдвиг между различными ГНСС
иGPS
Сообщение целостности из навигационного
кадра
Ионосферные поправки к псевдодальностям
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
–
Таким образом, в настоящее время реализовывать
передачу ассистирующей информации на сервере
А-ГЛОНАСС с использованием только стандарта
SUPL нецелесообразно и следует разработать
нетребовательный к ресурсам НАП компактный
протокол, который смогут реализовать все отечественные
разработчики, а также другие заинтересованные
производители. В результате был разработан
соответствующий протокол (Fast Navigation
Messages, FNM), позволяющий НАП получать широкий
спектр вспомогательной информации, а также
поддерживать в актуальном состоянии базу
данных параметров базовых станций сотовых сетей,
отправляя отчетыс регистрацией своего местоположения
и параметрами активной базовой
станции сотовой сети серверу А-ГЛОНАСС.
Передаваемые в протоколе FNM параметры
ионосферной коррекции формируются для текущего
местоположения пользователя и используемого
им созвездия навигационных спутников, что
+
+
н/д
н/д
н/д
н/д
+
+
н/д
+
н/д
н/д
н/д
н/д
–
+
+
–
–
+
–
+
+
–
+
+
+
+
+
–
+
+
–
–
+
–
+
+
–
+
+
+
+
+
+
должно позволить уменьшить ошибку определения
местоположения до 50% при минимальных
объемах передаваемой информации. Существующая
в протоколе FNM возможность периодического
протоколирования местоположения устройства
позволит пользователям использовать сервис
А-ГЛОНАСС в качестве средства мониторинга
положения своих ГНСС-приемников. Принципы
применения долгосрочной эфемеридной информации,
а также программные библиотеки для режима
«assisted offline» будут открыты и опубликованыдля
использования сторонними разработчиками.
Таким
образом, для разных классов НАП предлагается
использовать два разных интерфейсных
протокола: SUPL для смартфонов и планшетных
компьютеров и FNM для всех остальных НАП.
Стандартизованный в ходе работ и нетребовательный
к ресурсам НАП протокол передачи ассистирующей
информации FNM смогут реализовать все
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 4 вып. 1 2017
13
RRLP (SUPL) u-Blox «Assist
Now» (HTTP) BINR (TCP/IP) FNM(TCP/IP)
Стр.6
14
С. В.ТРУСОВ, О.И.БАРАБОШКИН, С. А.БОБРОВСКИЙ
отечественные разработчики, а также другие заинтересованные
производители. Объем информации,
требуемый для режима «холодного старта», составляет
3 Кб.
Заключение
С начала третьего тысячелетия идет активное
внедрение спутниковой навигации в повседневную
жизнь, создаются функциональные дополнения для
ГНСС, позволяющие повысить точность и скорость
местоопределений. В России за точность отвечают
система СДКМ и создаваемая Национальная сеть
высокоточного позиционирования (НСВП). Открытой
системыпредоставления ассистирующей информации
для увеличения скорости местоопределений
и улучшения качества приема в условиях
городской застройки в стране пока нет.
В процессе определения облика перспективной
системыважным является вопрос определения протокола
обмена информациеймеждуНАПисервером
предоставления данных.
В результате рассмотрения существующих мировыхрешений
истандартоврешено использовать
два разных интерфейсных протокола: SUPL для
смартфонов и планшетных компьютеров и FNM
для всех остальных НАП. Реализация этих протоколов
на сервере А-ГЛОНАСС будет способствовать
достижению следующих показателей.
– Для SUPL-устройств будет организовано перенаправление
трафика с информацией о местоположении
абонентов на российский SUPLсервер.
–
Устройства без поддержки SUPL смогут получать
ассистирующую информацию по протоколу
FNM.
– Протокол FNM будет стандартизован и все
отечественные производители ГНСС-приемников
смогут реализовать в своих устройствах
поддержку ассистирующего режима.
– Уменьшение времени «холодного старта»
ГНСС-приемников с поддержкой функции
А-ГЛОНАСС с 30–20 до 2–20 с и увеличение
их чувствительности.
– Увеличение точности определения местоположения
до 1–3 м.
Список литературы
1. Frank van Diggelen. A-GPS: Assisted GPS, GNSS
and SBAS. Artech House. ISBN-13: 978-1-59693-374-3.
London. 2009.
2. Vallina-Rodriguez N., Crowcroft J., Finamore A.,
Grunenberger Y., Papagiannaki K. When Assistance
Becomes Dependence: Characterizing the Costs and
Inefficiencies of A-GPS // ACM SIGMOBILE Mobile
Computing and Communications Review 12/2013;
17:3-14. DOI: 10.1145/2557968.2557970
3. Мишуков Р. ГЛОНАСС/GPS-модули u-blox 8-й серии
// Беспроводные технологии, 2014. №1.
4. Описание протокола обмена BINR приемника NV08C
ГЛОНАСС/GPS/GALILEO/COMPASS/SBAS Версия
1.3 http://j3.nvs-gnss.ru/images/products/oemmodul/NV08C-CSM/NV08C_NMEA_Protocol_
Specification_V1.4_RUS_09.05.2013.pdf
5.
UserPlane Location Protocol Version 2.0.2 – 08 Jul
2014 http://www.openmobilealliance.org
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 4 вып. 1 2017
Стр.7