CC BY
95
2006
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники.
Безопасность полетов
№99
УДК621.396.98
АНАЛИЗ АЛГОРИТМОВ НАВИГАЦИОННЫХ ОПРЕДЕЛЕНИЙ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ТЕРПЯЩЕГО БЕДСТВИЕ В СИСТЕМЕ КОСПАС-САРСАТ
Д.М. СУРКОВ, Е.А. КОВЕРЗНЕВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Рубцовым В.Д.
В данной статье проводится анализ возможности определения местоположения терпящего бедствие в системе поиска и спасения КОСПАС-САРСАТ в условиях горной местности.
Огромное значение при спасении терпящих бедствие людей имеет своевременная информация о бедствии. Любая операция по поиску и спасению начинается с получения информации об аварии. Поисково-спасательная операция с применением авиационных поисково-спасательных сил и средств согласно федеральным правилам по поиску и спасению (ФПСУ) начинается в случае:
• получения сигнала бедствия с борта воздушного судна;
• получения доклада от экипажа воздушного судна, наблюдавшего бедствие;
• получения сообщения о бедствии от очевидцев бедствия;
• получения сообщения о бедствии от правоохранительных органов или органов исполнительной власти субъектов Российской Федерации и органов местного самоуправления;
• неприбытия воздушного судна в пункт назначения в течение 10 минут после расчетного времени и отсутствия радиосвязи с ним более 5 минут;
• если экипаж воздушного судна получил разрешение на посадку и не произвел ее в установленное время с потерей радиосвязи с ним;
• потери радиосвязи с экипажем воздушного судна и одновременного пропадания отметки радиолокационной проводки или потери радиосвязи более чем на 5 минут, если радиолокационная проводка не велась;
• получения и подтверждения сведений из МКВЦ международной спутниковой системы КОСПАС-САРСАТ для определения местонахождения воздушных и морских судов, потерпевших бедствие.
В соответствии с рекомендациями Международной организации гражданской авиации (ИКАО) с 2005 года все воздушные суда, подпадающие под действие Конвенции ИКАО и совершающие международные рейсы, должны иметь на борту совместимый с системой КОСПАС-САРСАТ аварийный передатчик-указатель положения (АРМ), работающий на частоте 406 МГц и имеющий привод на частоте 121,5 МГц. Однако в связи с участившимися катастрофами вертолетов и региональных самолетов Министерством транспорта Российской Федерации в августе 2004 года было принято решение об оснащении всех типов воздушных судов аварийными радиомаяками КОСПАС-САРСАТ.
Одна из важнейших задач при организации поисково-спасательной операции - это определение точного местонахождения терпящего бедствие. В системе КОСПАС-САРСАТ используется два способа определения координат. Первый способ - это определение координат на основе доплеровской обработки сигнала радиомаяка. При этом получаем точность определения местоположения порядка 5 км в случае использования радиомаяка на частоте 406 МГц и 20 км в случае использования радиомаяка на частоте 121,5 МГц [1]. Используемая технология в радиомаяках 121,5 не может быть улучшена достаточно простым способом, что является причиной большого числа аварийных ложных срабатываний (для радиомаяков 121,5 одно из 50 аварийных сообщений является реальным, для радиобуев 406 МГц - одно из 17 [1]). Данная ситуация снижает эффективность поисково-спасательных операций. Комиссия КОСПАС-САРСАТ инициировала с 2000 года план о полном прекращении работы системы КОСПАС-САРСАТ на частоте 121,5/243 МГц с 2009 года. Второй способ - это получение координат (широта и долгота) от навигационного устройства на основе глобальной навигационной спутниковой системы и передачи их по средствам цифрового сообщения. Для определения местоположения по широте и долготе достаточно 3 спутников. Цена младшего разряда сообщения выбрана таким образом, что точность передаваемых координат составляет 4 с (около 150 м) (С/8 Т.001)[1].
Доплеровскую обработку сигналов производят только с использованием низкоорбитальных спутников. Высота орбит составляет 1000 км (КОСПАС) и 850 км (САРСАТ). Спутник движется со скоро-
стью порядка 7 км/с и делает полный оборот над поверхностью земли в течение 100 минут [1]. Для проведения доплеровской обработки сигнала наземной станцией (LEOLUT) необходимо иметь минимум 3 посылки от радиомаяка. В режиме ретрансляции сигнала спутником наземная станция определяет местоположение терпящего бедствие с вероятностью 95% , если маяк, спутник и станция одновременно находятся в зоне видимости 4 и более секунд при угле возвышения спутника более 5 градусов (C/S Т.002)[1]. Это время является минимально необходимым для определения координат доплеровским методом, если сообщения были приняты без ошибок. Влияние различного рода помех снижает вероятность прохождения сообщения. В условиях ограниченного времени наблюдения спутника (в горах) количество измерений может быть недостаточным для определения местоположения. В данной ситуации остается возможность определения местоположения потерпевшего бедствие с использованием навигационных определений, проведенных по спутниковым навигационным системам ГЛОНАСС, GPS.
ИСЗ
Рис. 1. Доплеровский метод определения координат
В горной местности основной причиной погрешности измерений спутниковой навигационной аппаратуры может стать эффект многолучевости и неблагоприятное геометрическое расположение рабочего созвездия навигационных космических аппаратов (НКА).
Многолучевость приводит к существенным искажениям полезного сигнала и погрешностям в схеме слежения. Данные погрешности во многом зависят от взаимного расположения спутника, приемной антенны и отражающих объектов. Экспериментальные исследования показали большой разброс даль-номерной погрешности из-за эффекта многолучевости (до ста метров [5]). В наиболее неприятном случае может произойти срыв слежения в схемах слежения.
В условиях горной местности навигационные измерения происходят при неблагоприятном геометрическом расположении рабочего созвездия навигационных космических аппаратов (НКА). Коэффициент геометрии является мерой уменьшения точности навигационных определений в СРНС (спутниковая радионавигационная система) из-за особенностей пространственного положения навигационных спутников и потребителя. Среднеквадратическую ошибку определения модуля вектора координат (СКО определения местоположения объекта) можно записать через коэффициент геометрии:
S M -VГ X + Г 2 + Г 2 ' S дал :
где одал - погрешность измерения псевдодальности. Выражение
Г -,/ГX + Г2 + Г2
представляет собой коэффициент геометрии. Наиболее важным в системе КОСПАС-САРСАТ является определение местоположения в горизонтальной плоскости:
Г„ -4 Г X + Г
2.^2 Vs 2 +S 2
г.г Vх 2
S дал
где ах и оу - погрешности измерения плановых координат.
Перечисленные выше факторы приведут к снижению точности до нескольких сотен метров, что приемлемо для определения местоположения терпящего бедствие.
Остается проблема достоверности передачи сообщения и возможности затенения спутника, если спутник расположен на геостационарной орбите.
Одной из причин возникновения ошибок при передаче сообщения является эффект многолучевости. Сигнал, приходящий на вход приемника, можно записать в следующем виде:
г (>) = ^а„ 0) ' № ~Тп О ХЪ
п
где а п (1) - весовой коэффициент;
X п (1) - задержка распространения.
В большинстве случаев ни одна из переотраженных компонент многолучевого сигнала не преобладает и сигнал по прямому пути распространения превышает уровень многолучевых компонент. При этом амплитуда огибающей описывается райсовой функцией плотности распределения вероятности:
Р(0 =- г -у • ехр а " (Г2 + А2)" 2 а2 ( • 10 V
0, г0 < 0, А < 0,
(Г0 • А" а2
, для г0 > О, А > О
где г0 = ^ш: + Шд , ш: и Шд - средние значения квадратурных составляющих принятого сигнала
(имеют гауссову функцию распределения плотности вероятностей); о2 - средняя мощность многолучевого сигнала;
А - максимальное значение незамирающего компонента сигнала;
10()-модифицированная функция Бесселя первого рода нулевого порядка.
Рассмотрим характер огибающей сигнала при передаче сообщения на низкоорбитальный и геостационарный спутники системы КОСПАС-САРСАТ на примере модели, изображенной на рис.2. Модель отличается от модели, представленной [4], только каналом связи. Для низкоорбитального спутника
максимальное значение доплеровского сдвига составляет 9 кГц (С/8 Т.012) [1]. К = А2 /(2о'2)-
параметр распределения Райса (К = 7).
На рис. 3 изображена амплитуда комплексной огибающей при соотношении сигнал/шум 20 Дб для трех случаев:
1) без эффекта многолучевости;
2) при воздействии эффекта многолучевости и отсутствии доплеровского сдвига частоты;
3) при воздействии эффекта многолучевости и доплеровском сдвиге частоты 9000 кГц.
Из графика видно, что эффект многолучевости приводит к уменьшению уровня принимаемого сигнала во втором случае и глубоким замираниям в третьем. Данные эффекты увеличивают вероятность ошибки в канале передачи данных, следовательно, уменьшают вероятность обнаружения потерпевшего бедствие.
Рис. 2. Канал передачи данных
О 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
time(sec)
О 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
time(sec)
30_________і_______і_______і_______і________і_______і_______і_______
О 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
time(sec)
Рис. 3. Амплитуда комплексной огибающей сигнала
ЛИТЕРАТУРА
1. Сайт КОСПАС-САРСАТ: www.cospas-sarsat.org
2. Бернард Скляр. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение, второе издание.- М.: Вильямс, 2003.
3. Федеральные авиационные правила поиска и спасения / Российская газета № 38 (3152) от 27 февраля 2003.
4. Коверзнев Е.А., Сурков Д.М. Анализ надежности связи в системе КОСПАС-САРСАТ / Статья в данном журнале.
5. Харисов В.Н., Перова А.И., Болдина В.А. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС. - М: ИПРЖР, 1998.
ANALYSIS ALGORITHM NAVIGATIONAL DETERMINATIONS OF THE LOCATION DISTRESSED IN SYSTEM COSPAS-SARSAT CHANNEL
Surkov D.M., Koverznev E.A.
In given article is conducted analysis of the possibility of the determination of the location distressed in the search and rescue system COSPAS-SARSAT in condition mountain area.
Сведения об авторах
Сурков Дмитрий Михайлович, 1977 г.р., окончил МГТУ ГА (2001), кандидат технических наук, начальник отдела ОАО МКБ “Компас”, автор 12 научных работ, область научных интересов - методы и средства спутниковой навигации.
Коверзнев Евгений Анатольевич, 1977 г.р., окончил МГТУ ГА (2003), аспирант МГТУ ГА, инженер-конструктор ОАО МКБ “Компас”, область научных интересов - цифровая связь.
