Повышение точности определения координат абонента в сетях 5G при учете гравитационного воздействия Луны и Солнца

Введение

Как уже отмечалось в [11], одной из основных тенденций развития мировой экономики в соответствии с [14, с.16] является формирование Глобальной информационной сети. В [11] также рассматриваются общие и частные особенности развертывания сетей 5G. Там же отмечается, что основным преимуществом сетей 5G по сравнению с уже эксплуатируемыми является обеспечение непрерывного доступа в Интернет для высокоскоростных абонентов. Это достигается при интеграции наземного сектора сетей сотовой связи с Глобальными навигационными спутниковыми системами (ГНСС). Подтверждением является Российский проект ESIM (Earth stations in motion) [13, 16], который в совокупности со спутниками HTS (High Throughput Satellite) должен к 2022 г. обеспечить широкополосным доступом 90 % территории Российской Федерации. Подобное решение уже функционирует в Великобритании и обеспечивает 100 % покрытие территории Объединенного Королевства широкополосным доступом в Интернет с помощью технологии LTE [15].

В проекте ESIM информация ГНСС применяется для определения точности положения абонента. Схема работы данного терминала приведена на рис. 1 [16].

Рис. 1. Схема работы абонентов наземного сектора системы ESIM [16]

Анализ данной схемы позволяет сделать вывод о том, что качество связи во многом зависит от точности определения координат абонента, особенно при его перемещении с высокими скоростями. Для сопряжения технологии 5G со спутниковыми технологиями возникает вопрос о задержке в передаче сигнала [6]. Для технологии 5G задержка сигнала должна составлять 10 мс и в перспективе 1 мс при обеспечении скорости абонентского доступа в сотни мегабит в секунду. Однако в спутниковых каналах связи данная задержка существенно выше. Подтверждением сказанному являются данные из табл., в которой приводятся данные из [7] о величине задержек в известных системах спутниковой связи.

Таблица

Сведения о величине задержек в каналах спутниковой связи [7]

Анализ данной таблицы показывает, что задержки в известных каналах спутниковых систем намного превышают предельно допустимые значения данного параметра в системах сотовой связи 5G, что делает тему исследований актуальной.

Величина задержки в каналах спутниковой связи, как известно [8], обусловлена особенностями распространения радиоволны в атмосфере Земли, приводящими к увеличению пройденного расстояния, а также не учетом гравитационного воздействия Луны и Солнца, вызывающего твердотельные приливы.

Цель доклада – оценка величины задержки сигнала, обусловленной твердотельным приливом вследствие воздействия гравитации Луны и Солнца.

Решаемая задача

Исследование величины задержки сигнала, обусловленной твердотельным приливом, в зависимости от географической широты пункта наблюдения.

Используемые методы

При проведении исследований используем методы космической геодезии [8].

Результаты исследования

Выполненный анализ используемых в настоящее время методов позиционирования наземного объекта в ГНСС показал, что для мобильных абонентов, перемещающихся, в том числе, и по поверхности океана, где отсутствуют станции наблюдения, наиболее целесообразным является метод точного позиционирования (Precise Point Position, PPP) [10]. При его реализации учитывается влияния ряда специфических источников погрешностей на основе использования не только информации со спутника, но и информационных продуктов (точных эфемерид, параметров часов, параметров вращения Земли и т.д.), представляемых международными службами бесплатно. Среди факторов, вызывающих изменение в пространстве положения наземного пункта наблюдения, являются твердотельные приливы вследствие дрейфа магнитного полюса Земли, а также гравитационного воздействия на твердую кору Земли Луны и Солнца [8].

Анализ известных моделей гравитационного воздействия Луны и Солнца на величину твердотельных приливов показал, что на точность получаемых результатов влияет выбор задания координат Луны и Солнца, т.е. их эфемерид. Существуют два способа их задания, различающиеся как точностью получаемых результатов, так и вычислительными затратами:

• из таблиц эфемерид планет JPL DE406/LE406 [1], сформированных по результатам измерений NASA;
• с использованием аналитического разложения в ряды Брауна-Эккерта [3, 4, 9, 12].

Первый вариант задания обеспечивает более высокую точность получаемых результатов, однако требует наличия большого числа коэффициентов разложения. Второй вариант допускает представление в закрытой форме, позволяющей представить результат в виде асимптотического разложения, допускающего проведение анализа влияния отдельных факторов.

Проводимые авторами исследования выполнялись в два этапа. На первом осуществлялась оценка влияния точности определения эфемерид на величину вектора смещений положений Луны и Солнца с использованием разработанной программы. На втором этапе оценивалось влияние воздействия Луны и Солнца на величину радиальной составляющей твердотельного прилива для ряда наземных пунктов.

На втором этапе исследования проводились для момента времени 20 мая 2020 года для пунктов номер 7110 Monument Peak (США) с координатами  с.ш. и  з.д., номер 7097 Easter Island (Чили) с координатами  ю.ш. и  з.д.; номер1864 Maidanak (Узбекистан)  с.ш. и  в.д. Результаты моделирования приведены на рис. 2-4.

Рис. 2. Смещение в измерительном пункте Monument Peak (США)

Рис. 3. Смещение в измерительном пункте Easter Island (Чили)

Рис. 4. Смещение в измерительном пункте Maidanak (Узбекистан)

Обсуждение результатов исследований

Анализ приведенных результатов показывает, что разработанная программа обеспечивает получение достоверных результатов при вычислении вектора смещений Δr_sol вследствие твердых приливов, обусловленных лунно-солнечным воздействием на твердую кору Земли. Отличие результатов не превышает 6%, а сами отличия обусловлены различной точностью представления данных в языках программирования. Кроме того, достоверность результатов подтверждается также тем фактом, что получаемые при расчетах компоненты вектора смещений не выходят из диапазона допустимых значений, определенных в [3].

Выполненная вторая часть исследований показала, что наибольшие смещения наблюдаются в вертикальном направлении. Данные смещения достигают порядка 30 см. Наибольшие смещения наблюдаются ночью, когда притяжение Луны преобладает солнечное. На величину смещения в радиальном направлении, как следует из сравнения рис. 2 и 4, влияет широта размещения пункта измерения: чем ближе к экватору, тем больше вертикальное смещение. При этом следует отметить, что смещения в горизонтальной плоскости для обоих вариантов размещения пункта измерения намного меньше, чем в радиальном направлении.

Выводы

Выполненные с использованием разработанной программы исследования по оценке точности положения наземного пункта при учете твердотельного прилива, обусловленного гравитационным воздействием Луны и Солнца, показали, что отказ от учета данного воздействия вызывает абсолютную погрешность, достигающую в радиальном направлении величины порядка 30 см в выбранных пунктах наблюдения. Данное смещение вызывает задержку порядка 0,1 мс. Размещение пунктов наблюдения на широтах, близких к экватору, приведет к большей погрешности.

1. JPL Planetary and Lunar Ephemerides. Сайт «Jet Propulsion Laboratory». URL: ftp://naif.jpl.nasa.gov/pub/naif/gens/spk/planets/ (дата обращения: 02.10.2021).
2. Mahooti M. Satellite orbits: Models, Methods, Applications. // URL: https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/ 54840-satellite-orbits-models-methods-and-applications. (дата обращения: 20.09.2021)
3. Milbert D. Solid Earth tide. URL: https://geodesyworld.github.io/SOFTS/solid.htm#link4 (дата обращения: 20.09.2021).
4. Montenbruck O., Gill E. Satellite orbits: Models, Methods, Applications. – Heidelberg: Springer Verlag, 2005. ‑ 369 c.
5. Subarina J.S., Zornoza J.M.J., Hernandez-Pajares M. GNSS data processing. V.1. Fundamentals and Algorithms. – ESA Communications, 2013. – 224 с.
6. Абрамов Т. Быть во главе технологического развития // Технологии и средства связи. Специальный выпуск «Спутниковая связь и вещание». 2019. С.16.
7. Анпилогов В. Обзор докладов и обсуждений на круглом столе V международной конференции «Инжиниринг&Телекоммуникации – En&T 2018» // Технологии и средства связи. Специальный выпуск «Спутниковая связь и вещание». 2019. С.32-38.
8. Антонович К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии. Т.1. ‑ М.: ФГУП «Картогеоцентр», 2005. – 334 с.
9. Вулард Э. Теория вращения Земли вокруг центра масс. ‑ М.: Гос. изд. физ.-мат. лит., 1969. – 143 с.
10. Жалило А.А., Яковченко А.И. Разработка реализации РРР-метода определения параметров траекторий низкоорбитальных космических аппаратов с использованием бортовых GPS-наблюдений // Восточно-европейский журнал передовых технологий. 2016. Т.5, № 9. С. 33-40.
11. Звездина М.Ю., Каба А., Шапошникова А.М., Шокова Ю.А. Влияние климатических особенностей на функционирование сетей 5G (настоящий сборник).
12. Михайлович Е.В. Исследование гравитационного влияния Луны и Солнца на движение космических аппаратов // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2010. Т.3. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/issledovanie-gravitatsionnogo-vliyaniya-luny-i-solntsa-na-dvizhenie-kosmicheskih-apparatov (дата обращения: 02.10.2021).
13. Перспективы использования модернизируемой глобальной навигационной системы ГЛОНАСС в качестве многофункциональной спутниковой системы / С.Л. Мищенков, Н.И. Смирнов, С.В. Мельник [и др.] // T-Comm. Телекоммуникация и транспорт. 2011. Т.5, № 9. С. 106-109.
14. Прогноз научно-технического развития Российской Федерации на долгосрочную перспективу (до 2030 г.) // Российская академия наук: [сайт]. – URL: http://www.ras.ru/scientificactivity/scienceresults/prognosis.aspx (дата обращения: 15.09.2021).
15. Стафеев Д. Подключение базовых станций сотовой связи через спутник. // Технологии и средства связи. Специальный выпуск «Спутниковая связь и вещание». 2019. С.17.
16. Стрелец В. Перспективы спутниковой связи в свете решений ВКР-19 // Электросвязь. 2020. № 2. С.5-9.