Выбор навигационных модулей ГЛОНАСС/GPS для аппаратуры спутниковой навигации, применяемой в МВД России Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Радиотехника и связь

С.В. Лаптев, Ю.М. Баркалов

НПО «СТиС» МВД России, г. Калуга

ВЫБОР НАВИГАЦИОННЫХ МОДУЛЕЙ ГЛОНАСС/GPS ДЛЯ АППАРАТУРЫ СПУТНИКОВОЙ НАВИГАЦИИ, ПРИМЕНЯЕМОЙ В МВД РОССИИ

SELECTING THE NAVIGATION MODULES GLONASS/GPS FOR THE EQUIPMENT OF SATELLITE NAVIGATION USED IN THE MINISTRY OF THE INTERIOR OF RUSSIA

Проведен анализ тактико-технических, характеристик навигационных модулей, используемых в МВД России, отражены результаты сравнительных испытаний отечественных навигационных модулей.

The analysis of tactical and technical characteristics of navigation modules used in the Ministry of the Interior of Russia, reflects the results of comparative tests of domestic navigation Modules.

Введение

Важной составной частью навигационной аппаратуры потребителей (далее — НАП) является навигационный приемник, изготовленный на основе OEM-модуля (англ. Original Equipment Manufacturer). От того, как он работает и решает навигационную задачу, будет зависеть работа и бортового оборудования, и системы в целом.

OEM-модуль не является законченным навигационным устройством, он выполняет только базовые навигационные функции, используя которые можно разрабатывать различные типы аппаратуры для применения в персональных приборах, системах мониторинга, средствах частотно-временной синхронизации и в составе вооружения и специальной техники.

Под навигационным модулем в аппаратуре спутниковой навигации понимается радиотехническое устройство, основными функциями которого являются прием, обработка радионавигационных сигналов навигационных космических аппаратов

98

Вестник Воронежского института МВД России №2 / 2015

глобальных навигационных спутниковых систем (далее — ГНСС) и определение пространственных координат и составляющих вектора скорости движения потребителя (объекта навигации) [1].

В связи с тем что навигационные модули конструктивно входят в состав НАП и отдельно в МВД России не поставляются, потребовалось провести дополнительные сравнительные испытания по оценке технических характеристик и погрешностей измерений навигационных модулей.

Перед испытателями ставились две основные задачи:

- подтверждение заявленных разработчиком тактико-технических характеристик навигационных модулей и навигационных приемников;

- выявление (определение) навигационных модулей и навигационных приемников, наиболее полно удовлетворяющих требованиям МВД России.

Помимо основных задач к навигационным модулям предъявлялись следующие дополнительные требования:

- навигационные модули и навигационные приемники должны быть разработаны отечественными предприятиями и выпускаться серийно. Это связано с необходимостью обеспечения независимости от импортной продукции и обеспечения национальной безопасности;

- в навигационных модулях и навигационных приемниках должна быть предусмотрена возможность работы по высокоточному сигналу (ВТ-сигналу) санкционированного доступа. ВТ-сигналы обладают повышенной помехозащищенностью к непреднамеренным и организованным помехам, а также обеспечивают более высокую точность определения местоположения объекта. Они будут доступны для российских военных и специальных потребителей в различные периоды военно-политической обстановки (в отличие от гражданских сигналов стандартной точности);

- навигационные модули и навигационные приемники должны являться средством измерения и иметь свидетельство об утверждении типа, внесенное в государственный реестр Российской Федерации. Это связано с необходимостью гарантированного подтверждения точности определения местоположения объекта и влечет за собой проведение периодических поверок (метрологическое обеспечение).

Навигационные модули, разработанные для МВД России

Навигационные модули, предлагаемые к использованию в составе НАП для МВД России, должны работать по сигналам ГНСС ГЛОНАСС или в совмещенном режиме ГЛОНАСС/GPS, так как в целях обеспечения национальных интересов США сигналы GPS могут селективно загрубляться или отключаться в пределах любого района Земного шара [2]. Исходя из этого и указанных выше требований, и подбирались навигационные модули для проведения испытаний.

Навигационные модули, используемые в МВД России, представлены в табл. 1.

Однако не все из используемых в МВД России навигационных модулей выполняют требования по обеспечению необходимой точности и надежности, а также работы по ВТ-коду.

Навигационная аппаратура потребителей, поставляемая в сфере государственного регулирования для нужд федеральных органов исполнительной власти, должна проходить контроль и обеспечивать единство измерений [4]. Это означает, что НАП, предлагаемая для использования в МВД России, должна являться средством измерений и обеспечивать заданные точностные характеристики.

99

Радиотехника и связь

В нормативные документы МВД России были внесены требования о том, что навигационные приемники из состава НАП должны относиться к средствам измерений, а погрешность определения местоположения объекта не должна превышать заданных значений. Для НАП, применяемой в органах внутренних дел Российской Федерации, предельная погрешность определения местоположения (в плане) не должна превышать 30 м (при доверительной вероятности 0,997) [5], а для внутренних войск МВД России — 15 м (при доверительной вероятности 0,95) [6].

Таблица 1

№

п/п

Навигационный модуль

Технические характеристики

1.

- работа по сигналам ГЛОНАСС/GPS;

- 24 канала приема сигналов;

- время «холодного» старта не более 50 с;

- максимальная потребляемая мощность не более 0,6 Вт;

- масса не более 6 г.

- работа по сигналам ГЛОНАСС/GPS;

- 32 канала приема сигналов;

- время «холодного» старта не более 28 с;

- максимальная потребляемая мощность не более 0,117 Вт;

- масса не более 2 г.

- работа по сигналам ГЛОНАСС/GPS;

- 20 каналов приема сигналов;

- время «холодного» старта не более 25 с;

- максимальная потребляемая мощность не более 0,375 Вт;

- масса не более 3 г.

- работа по сигналам ГЛОНАСС/GPS/ GALILEO/COMPASS/SBAS в диапазоне L1;

- 32 канала приема сигналов;

- время «холодного» старта не более 30 с;

- максимальная потребляемая мощность не более 0,24 Вт;

- масса не более 3 г.

5.

- работа по сигналам ГЛОНАСС/GPS/ GALILEO;

- 16 каналов приема сигналов;

- время «холодного» старта не более 40 с;

- максимальная потребляемая мощность не более 0,18 Вт;

- масса не более 7 г.

2

3

4

100

Вестник Воронежского института МВД России №2 / 2015

Чтобы подтвердить метрологические параметры каждого образца НАП, необходимо проводить его первичную поверку в специализированных испытательных лабораториях, аккредитованных в данной области. Подтверждением того, что НАП успешно прошла испытания, является свидетельство об утверждении типа средств измерений [3].

Основные технические требования к навигационным модулям:

1. Навигационный модуль должен обеспечивать:

- определение и выдачу привязанных ко времени текущих координат места (широта, долгота, высота) и текущего вектора путевой скорости;

- измерение псевдодальностей, псевдоскоростей и псевдофазы несущей частоты по сигналам ГНСС ГЛОНАСС и GPS;

- прием и учет при решении навигационной задачи корректирующей информации в формате RTCM SC-104;

- расчет в соответствии с ICD-GPS-200C ионосферных поправок по данным, передаваемым в составе навигационных кадров ГНСС GPS, и их учет при решении навигационной задачи;

- расчет модельных тропосферных поправок и их учет при решении навигационной задачи;

- автономный контроль достоверности навигационных измерений и исключение недостоверных измерений (RAIM).

2. Навигационный модуль должен обеспечивать работу:

- по сигналам ГНСС ГЛОНАСС с открытым и санкционированным доступом в диапазоне частот L1;

- по сигналам ГНСС GPS, модулированным C/A кодами, в диапазоне частот L1.

3. Навигационный модуль ГНСС должен обеспечивать определение навигационных параметров в любой из выбираемых систем координат (СК-42, СК-95, ПЗ-90, ПЗ-90.02, географические, прямоугольные в проекции Гаусса — Крюгера и Балтийской системе высот).

4. Предельные погрешности навигационных определений по реальным сигналам ГНСС ГЛОНАСС (по уровню вероятности 0,95) при значениях пространственного геометрического фактора PDOP не более 3 не должны превышать:

- для координат в плане — 7 м;

- для высоты — 10 м;

- для составляющих вектора скорости — 0,1 м/с.

5. Время получения первого достоверного навигационного решения по сигналам ГНСС ГЛОНАСС и GPS с заданной точностью должно составлять:

- для «холодного» старта — не более 40 с;

- для «горячего» старта — не более 5 с;

- для перезахвата (повторный захват, при срыве сопровождения на время не более 60 с) — не более 3 с.

Сравнительные испытания навигационных модулей

Испытания проводились в лабораторных и полевых условиях сотрудниками Калужского филиала ФКУ НПО «СТиС» МВД России с участием представителей ЗАО «КБ НАВИС» и организаций-разработчиков.

Кроме указанных в табл. 1 навигационных модулей на испытания были также представлены: «МНП-М7» (ООО «ИРЗ-Связь»), «НАВ-01» (ЗАО «СОКБ «Вектор»), «МПВ 1К325» (ОАО «РИРВ»), «nv08с-сsm» (ЗАО «КБ НАВИС»).

101

Радиотехника и связь

Испытания проводились в соответствии с требованиями ГОСТ РВ 52271-2004, «Типовой программой и методиками испытаний», с использованием имитатора сигналов «СН-3803М».

В ходе испытаний обеспечивалось движение «объекта-носителя» по реальному маршруту, а также имитация движения по следующим основным сценариям имитации:

- фиксированная точка пространства;

- прямолинейное движение с ускорениями до максимальной скорости;

- круговое движение;

- движение с маневрированием (типа «гребёнки»);

- движение в местах затенения и неуверенного приёма навигационных сигналов;

- движение с минимальной скоростью.

Типичные результаты сравнительных испытаний навигационных модулей при движении по маршруту представлены на рисунке.

Положительный результат Отрицательный результат

Типичные результаты (движение по реальному маршруту)

Типичные результаты сравнительных испытаний навигационных модулей с использованием имитатора сигналов «СН-3803М» представлены в табл. 2.

Предел допускаемой погрешности (с доверительной вероятностью 0,95) измерений координат, например, для координаты X, AX, вычислялся по формуле

AX = \dX\ + 2а

I I х • (1)

Систематическая погрешность измерений координат, например для координаты X, dX, вычислялась по формулам

1 N

dX — — 2 dX .

NJ — — J

dx. — x . — x TJ, rT7rri ■,

J J MMMTj

(2)

(3)

где XMMMTj

последовательность j значений координаты X, формируемых

имитатором сигналов при воспроизведении сценария имитации,

dX— последовательность j значений отклонений измеренных координат X от

формируемых имитатором.

102

Вестник Воронежского института МВД России №2 / 2015

Таблица 2

№

п/п

1.

4.

Наименование испытания

Фиксированная точка пространства

Прямолинейное движение с ускорениями до максимальной скорости

Круговое движение

Движение с маневрированием

Положительнй

результат

Отрицательнй результат

5.

Движение в местах затенения и неуверенного приёма навигационных сигналов

2

3

Для полученных значений измерений координат, например для координаты X, вычислялось среднеквадратичное отклонение ах.

Аналогичным образом вычислялись пределы допускаемой погрешности (с доверительной вероятностью 0,95) измерений координат Y и Z.

Предел допускаемой погрешности (с доверительной вероятностью 0,95) измерений составляющих вектора скорости Vx, например для составляющей вектора скорости вдоль оси координат X, AVx, вычислялся по формуле

AVx = \dVx

+ 3a(Vx)

(4)

103

Радиотехника и связь

Систематическая погрешность измерений составляющих вектора скорости, например для составляющей вектора скорости Vx вдоль оси координат X, dVx, вычислялась по формулам

1 N

dVv = — 2 dVx .

X nj=— J

4

dVx .= Vx VxT„

J J ИМИТ]

(5)

(6)

где Vx,

последовательность j значений составляющих вектора скорости вдоль оси

ИМИТj

координат X, формируемых имитатором сигналов при воспроизведении сценария;

dVx— последовательность j значений отклонений измеренных составляющих

вектора скорости вдоль оси координат X от формируемых имитатором.

Для полученных значений измерений составляющих вектора скорости вычислялось среднеквадратичное отклонение, например, для составляющей вектора скорости вдоль оси координат X, a(Vx).

Аналогичным образом вычислялись пределы допускаемой погрешности (с доверительной вероятностью 0,95) измерений составляющих вектора скорости вдоль оси координат Y (AVy) и вдоль оси координат Z (AVz) [7].

В заключении Главного конструктора НАП по результатам сравнительных испытаний навигационных модулей было отмечено, что:

- требованию по точности определения местонахождения не более 30 м (при доверительной вероятности 0,95) удовлетворяют все модули, кроме «ПКНС-Л1»;

- работу по высокоточному сигналу (ВТ-коду) обеспечивают три модуля («СН-5701», «СН-6703» и «МНП-М7»);

- худшие показатели измерения координат в статическом режиме (в фиксированной точке пространства) имеют модули «ПКНС-Л1» и «GeoS-З» (отклонения в десятки метров);

- по сигналам ГЛОНАСС (при отключенном режиме GPS) неустойчиво работает модуль «MGGS2217»;

- худшими характеристиками по помехозащищенности обладает модуль «НАВ-01», имеющий общий вход приемника для сигналов ГЛОНАСС и GPS;

- лучшей чувствительностью обладает модуль «MGGS2217» (за счет применения специальных алгоритмов слежения за сигналами без гарантии качества);

- в динамическом режиме лучшие показатели отмечены у модулей «СН-5701» и «СН-6703».

Таким образом, по совокупности всех замечаний и достоинств наиболее полно требованиям спецпотребителей (силовых структур) отвечают модули «СН-5701» и «СН-6703».

В целях обеспечения работоспособности НАП в любые периоды военнополитической обстановки при намеренном загрублении сигнала GPS (в условиях ведения «радиовойны»), аппаратом Главного конструктора НАП сформированы минимально необходимые технические требования к навигационным модулям.

Данные требования необходимо учитывать при подготовке технических заданий на разработку НАП для оснащения органов внутренних дел Российской Федерации и внутренних войск МВД России.

104

Вестник Воронежского института МВД России №2 / 2015

Заключение

Сравнительные испытания навигационных модулей, проведённые в интересах МВД России, наглядно показали необходимость учёта функциональных возможностей OEM-модулей, предлагаемых для использования в НАП спецпотребителей.

При создании НАП и систем на её основе для внутренних войск МВД России необходимо использовать навигационные модули, обеспечивающие работу по ВТ-сигналу и имеющие высокую помехозащищённость к непреднамеренным и организованным помехам. Это позволит обеспечить работоспособность аппаратуры спутниковой навигации в условиях обострения военно-политической обстановки при намеренном загрублении сигнала GPS.

В ходе испытаний получен уникальный опыт, который поможет сотрудникам испытательной лаборатории ФКУ НПО «СТиС» МВД России правильно выбирать сценарии имитации движения «объекта-носителя» при проведении тестирования НАП и систем на её основе.

ЛИТЕРАТУРА

1. Дьяченко Д.В., Прохоровский А.Н., Чурбанов С.В. Методические рекомендации по применению навигационной аппаратуры ГЛОНАСС сотрудниками ОВД и военнослужащими внутренних войск МВД России. — Изд. 2-е, исправл. и доп. — М.: ФКУ НПО «СТиС» МВД России, 2012. — 144 с.

2. Малышев В.В., Куршин В.В., Ревнивых С.Г. Введение в спутниковую навигацию: учебное пособие. — М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2008. — 192 с.

3. Постановление Правительства Российской Федерации от 7 февраля 2011 г. № 56 «Об установлении запретов и ограничений на допуск товаров, происходящих из иностранного государства или группы иностранных государств, работ (услуг), выполняемых (оказываемых) иностранными лицами, в рамках размещения заказов на поставки товаров, выполнение работ, оказание услуг для нужд обороны страны и безопасности государства» // СПС «КонсультантПлюс».

4. Об обеспечении единства измерений: Федеральный закон Российской Федерации от 26 июня 2008 г. № 102-ФЗ // СПС «КонсультантПлюс».

5. Приказ МВД России от 31.12.2008 №1197 «Об утверждении и использовании общих тактико-технических требований к спутниковым навигационно-мониторинговым системам для органов внутренних дел Российской Федерации и внутренних войск МВД России.

6. «Тактико-технические требования к навигационно-мониторинговым системам ГЛОНАСС/GPS для легковых и грузовых автомобилей внутренних войск МВД России», утвержденные ГКВВ МВД России в 2012 году.

7. Информационные технологии в радиотехнических системах: учеб. пособие / под ред. И.Б. Федорова. — М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. — 846 с.

REFERENCES

1. Dyachenko D.V., Prohorovskiy A.N., Churbanov S.V. Metodicheskie rekomendatsii po primeneniyu navigatsionnoy apparaturyi GLONASS sotrudnikami OVD i voennosluzhaschimi vnutrennih voysk MVD Rossii. — Izd. 2-e, ispravl. i dop. — M.: FKU NPO «STiS» MVD Rossii, 2012. — 144 s.

2. Malyishev V.V., Kurshin V.V., Revnivyih S.G. Vvedenie v sputnikovuyu navigatsiyu: uchebnoe posobie. — M.: Izd-vo MAI-PRINT, 2008. — 192 s.

105

Радиотехника и связь

3. Postanovlenie Pravitelstva Rossiyskoy Federatsii ot 7 fevralya 2011 g. # 56 «Ob ustanovlenii zapretov i ogranicheniy na dopusk tovarov, proishodyaschih iz inostrannogo gosudarstva ili gruppyi inostrannyih gosudarstv, rabot (uslug), vyipolnyaemyih (okazyivaemyih) inostrannyimi litsami, v ramkah razmescheniya zakazov na postavki tovarov, vyipolnenie rabot, okazanie uslug dlya nuzhd oboronyi stranyi i bezopasnosti gosudarstva» // SPS «KonsultantPlyus».

4. Ob obespechenii edinstva izmereniy: Federalnyiy zakon Rossiyskoy Federatsii ot 26 iyunya 2008 g. # 102-FZ // SPS «KonsultantPlyus».

5. Prikaz MVD Rossii ot 31.12.2008 #1197 «Ob utverzhdenii i ispolzovanii obschih taktiko-tehnicheskih trebovaniy k sputnikovyim navigatsionno-monitoringovyim sistemam dlya organov vnutrennih del Rossiyskoy Federatsii i vnutrennih voysk MVD Rossii.

6. «Taktiko-tehnicheskie trebovaniya k navigatsionno-monitoringovyim sistemam GLONASS/GPS dlya legkovyih i gruzovyih avtomobiley vnutrennih voysk MVD Rossii», utverzhdennyie GKVV MVD Rossii v 2012 godu.

7. Informatsionnyie tehnologii v radiotehnicheskih sistemah: ucheb. posobie / pod red.

I.B. Fedorova. — M.: Izdatelstvo MGTU im. N.E. Baumana, 2011. — 846 s.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

Лаптев Сергей Владимирович. Младший научный сотрудник.

Калужский филиал ФКУ НПО «СТиС» МВД России.

E-mail: sts@kaluga.net

Россия, 248033, г. Калуга, ул. Генерала Попова, 5. Тел. (4842) 79-24-29.

Баркалов Юрий Михайлович. Старший преподаватель кафедры информационной безопасности. Воронежский институт МВД России.

Россия, 394065, Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. 89507588723.

Laptev Sergey Vladimirovich. Junior research employee.

Kaluga branch of Federal Government Office for Research and Production Organization «Special Devices and Communication» of MIA Russia.

E-mail: sts@kaluga.net.

Work address: Russia, 248033, Kaluga, General Popov Str., 5. Tel. (4842) 79-24-29.

Barkalov Yuri Mikhailovich. Senior lecturer of the chair of information security.

Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia.

Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. 89507588723.

Ключевые слова: навигационная аппаратура; спутниковая навигация; сравнительные испытания.

Key words: navigation equipment; satellite navigation; comparative tests.

УДК 621.396.62

106