CC BY
143КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
УДК 629.056.82
Б01 10.26732/).st.2021.L05
АВТОНОМНЫЕ АЛГОРИТМЫ КОНТРОЛЯ ЦЕЛОСТНОСТИ НАВИГАЦИОННОГО ПОЛЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ГНСС ГЛОНАСС
Н. В. Леонидов
АO «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва», г. Железногорск, Красноярский край, Российская Федерация Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнёва,
г. Красноярск, Российская Федерация
Цель данной статьи - анализ существующих алгоритмов автономного контроля целостности навигационного поля системы ГЛОНАСС. Анализ проведен по отечественным материалам и официальным зарубежным заявлениям. В начале статьи дано понятие целостности глобальной навигационной спутниковой системы в том виде, в котором оно употребляется Международной организацией гражданской авиации и разработчиками таких систем. Показаны различия между распространенными видами контроля целостности навигационного поля. Проведено моделирование отдельных эксплуатационных характеристик, в т. ч. среднего геометрического фактора, видимости, доступности для различных углов места. Проведено сравнение основных вариантов решения проблемы пониженных тактико-технических характеристик системы. Перечислены сложившиеся предпосылки к совершенствованию системы ГЛОНАСС и к применению малых навигационных космических аппаратов для устранения отставания ГЛОНАСС от конкурирующих глобальных навигационных спутниковых систем. Предложен вариант совершенствования обстоятельств для применения данных алгоритмов в неблагоприятных условиях по отношению к системе ГЛОНАСС. Показано, что низкоорбитальное дополнение к системе ГЛОНАСС за счет оперативного поддержания целостности навигационного поля способно значительно улучшить ее тактико-технические характеристики и обеспечить ее более
высокую надежность.
Ключевые слова: ГЛОНАСС, автономный контроль целостности, малый космический аппарат, вероятность отказа, точность позиционирования.
Введение
В настоящее время бурно развиваются технологии спутниковой навигации. Она находит применение в большом количестве практических плоскостей, в т. ч. [3]:
• навигация в космосе;
• авианавигация;
• морская навигация;
• транспортная наземная навигация;
• изучение путей миграции животных и другие научные исследования;
• геодезические привязки неподвижных объектов;
• автомобильные автопилоты и автономные роботы;
Н [email protected] © Ассоциация «ТП «НИСС», 2021
• пешеходная навигация в городах и на маршрутах пересеченной местности;
• операции спасения терпящих бедствие.
С каждым годом растут требования к эксплуатационным характеристикам глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). Например, автономные транспортные средства нуждаются в дециметровой точности навигации, организациям, осуществляющим поиск подавших сигнал бедствия, требуется сужение зоны поисковых действий до 1 км2, Международная организация гражданской авиации (ИКАО) требует информирования самолетов о целостности навигационного поля не более чем за 6 секунд с момента обнаружения ошибки (в будущем - 3 секунды), гражданским навигационным приложениям необходима высокая скорость определения текущих навигационных параметров. Умные технологии в скором времени потребуют санти-
метровых точностей, получаемых в априорном режиме.
1. Принципы спутниковой навигации
Все точностные характеристики взаимоувязаны возможными ошибками навигационного поля, передаваемого неисправным навигационным космическим аппаратом (НКА) [4]. Данный случай представлен на рис. 1.
ШЯфг
семейство поверхностей положения в виде совокупности концентрических сфер, соответствующих различным расстояниям до потребителей [6, С. 39]. Упрощенная схема данной концепции показана на рис. 2.
Рис. 1. Ошибка координатно-временного обеспечения одним НКА
Как видно из рис. 1, три из четырех НКА передают корректные навигационные параметры, в то время как один из аппаратов вводит пользователя в заблуждение. Для того чтобы обнаружить данный вид ошибки, вводят ограничение допустимой точности. Для системы ГЛОНАСС на сегодняшний день используется геометрический параметр PDOP, значение которого должно быть менее 6. Однако, для того чтобы навигационное решение сошлось, требуется минимум 4 рабочих НКА [5].
В процессе решения навигационных задач определяются по существу точки некоторого мерного пространства: трехмерного в случае, когда определяются только координаты, четырехмерного при определении пространственно-временного положения объекта, шестимерного при нахождении полного вектора состояния объекта или параметров движения самих НКА, восьмимерного при оценке дополнительных параметров.
Искомая точка находится, если число измерений п не меньше мерности пространства т. Группа измерений при п < т дает информацию лишь о каких-то подпространствах возможного расположения искомой точки [6, С. 38].
Дальности соответствует поверхность положения в виде сферы как геометрического места точек, равноудаленных от данной точки. Относительно каждого НКА можно построить
Рис. 2. Плоская проекция поверхностей положения для одного потребителя
На рис. 2 черными точками обозначены проекции линий положения, формируемых в местах пересечения сфер положения. Так, если бы один из трех аппаратов «выпал» из схемы, решение навигационной задачи стало бы неоднозначным [3; 5].
2. Контроль целостности навигационного поля
Для исключения нахождения ошибочного решения ведется непрерывный мониторинг навигационного поля, создаваемого ГНСС ГЛОНАСС. Свойство навигационной спутниковой системы обнаруживать непригодный для навигации НКА и извещать потребителя в рамках заданного времени называется целостностью [7].
Мониторинг целостности системы могут осуществлять ее различные сегменты:
• наземный комплекс управления;
• контрольно-корректирующие станции при использовании дифференциального режима (GBAS, SBAS);
• самодиагностика НКА на предмет пригодности излучаемого сигнала;
• диагностика НКА космическим сегментом системы;
• автономный мониторинг целостности.
Автономный мониторинг целостности - это
технологии, разработанные для оценки целостности сигналов ГНСС в системе приемника.
На данный момент информационная недостаточность в навигационном комплексе решается с применением специальных алгоритмов или их сочетания. Первый из них называется RAIM (Receiver Autonomous Integrity Monitoring), а второй AAIM (Airborne Autonomous Integrity Monitoring) [8].
45
46
3. ИАГМ-алгоритмы
В литературе [1; 2; 8] описано множество различных схем построения КА1М-алгоритмов, основанных на принципе, суть которого заключается в непрерывной вероятностной проверке, в основу которой положена измерительная избыточность. При этом решаются две задачи: обнаружение отказа и исключение из навигационного решения данных от НКА с аномальным измерением. Обычно достаточно 5 видимых потребителем НКА для автономного обнаружения нарушения целостности навигационного поля, 6 - для выявления источника распространения недостоверного сигнала, 7 - для сохранения автономного контроля целостности после исключения НКА, вводящего в заблуждение, и снижения вероятности получения ошибки до минимума. Блок-схема алгоритма представлена на рис. 3.
Том 5
временно с нескольким ГНСС, и не применим для внутренних служб контроля и мониторинга определенной системы ГНСС.
Необходимым условием использования алгоритма АА1М является навигационная аппаратура потребителя, работающая как минимум с двумя ГНСС в данный момент времени. При исключении одной из двух ГНСС контроль целостности последней этим методом становится невозможным, т. к. пропадает возможность сравнения.
Главным пользователем алгоритмов автономного контроля целостности является авиация. Организаторы воздушных перевозок используют сервисы, позволяющие прогнозировать количество видимых НКА в определенные моменты времени, которые они считают критичными. Так, сервис «Комплексная автоматизированная система сбора и доведения информации о состоянии ГНСС до авиационных пользователей (КАС СиДИМ)» позволяет спрогнозировать возможность использования Я АIМ -ал го р ит мо в при взлете, в момент посадки и на протяжении всего маршрута. Есть возможность выбора ГНСС или их комбинации (с ориентацией на АА1М) [9]. Окно сервиса для прогнозирования ИАИМ-информации представлено на рис. 4.
Рис. 3. Общий принцип работы КАГМ-алгоритмов
4. АА1М-алгоритмы
Другим способом контроля целостности информации, получаемой от спутниковой навигационной системы, является сравнение этой информации с навигационной информацией, получаемой от других навигационных систем. Называется этот алгоритм АА1М. Этот способ имеет только одно преимущество по сравнению с ЯА1М - нет необходимости обрабатывать сигналы от одного дополнительного спутника, что позволяет продолжать навигационные определения с гарантией их достоверности при видимости только четырех спутников [8].
Данный метод позволяет находить достоверные навигационные решения, однако не дает возможности выяснить, какой именно НКА вносит ошибку. В случае превышения допустимого порога отклонений данный алгоритм исключает измерительные данные от всей ГНСС. Такой метод подходит для потребителей навигационного сигнала, имеющих приемник, работающий одно-
Рис. 4. Окно сервиса для прогнозирования RAIM-информации при авиаперелетах
5. ARAIM-алгоритмы
Важными показателями математического аппарата автономных алгоритмов контроля целостности являются URA, Psat и Pconst.
URA (User Range Accuracy) / SISA (Signal-inSpace Accuracy).
URA/SISA - это стандартное отклонение Гауссовой ошибки распределения, которая ограничивает распространение дальномерной части ошибки сигнала в пространстве при отсутствии сбойного состояния и используется для оценки доступности функции контроля целостности.
Probability of Satellite Fault (Psat) Psat описывает вероятность того, что ожидаемое распределение ошибок спутника выйдет за пределы доверительного интервала. Вероятность данного вида сбоя применима к конкретному НКА и описывает сбои, которые возникают неожиданно.
Probability of Constellation Fault (Pcons) Pconst - это вероятность того, что на множестве спутников созвездия возникнет одновременный отказ по общей причине [1].
Более продвинутым вариантом выше перечисленных технологий является ARAIM (Advanced Receiver Autonomous Integrity Monitoring). Advanced RAIM (рис. 5) - наиболее объективный и совершенный из представленных алгоритмов автономного контроля целостности навигационного поля. Данный метод сочетает в себе технологии RAIM и AAIM. По сути, это алгоритм RAIM, расширенный до нескольких созвездий, работающих независимо друг от друга. Согласно документам, представленным на совещании в ИКАО в 2019 году, в ARAIM в ближайшее время будут гибко интегрированы показания датчиков самолета, в совокупности называющиеся «критичностью» [10].
Advanced RAIM для поддержания горизонтальной + вертикальной глобальной навигации
целостности принимается необходимым количество аппаратов равное семи. В зависимости от геометрии спутников при угле места 5° в зоне видимости одновременно находятся 6^12 НКА действующей системы ГЛОНАСС. Для решения задачи моделирования перспективной системы с взглядом в будущее принято, что количество видимых НКА:
• при угле места 25° с вероятностью 0,95 должно быть не менее 5;
• при угле места 15° с вероятностью 0,95 должно быть не менее 6;
• при угле места 5° с вероятностью 0,95 должно быть не менее 7.
Результаты моделирования с вероятностью 0,95 по текущей группировке ГЛОНАСС сведены в табл. 1.
Таблица 1
Видимость штатной орбитальной группировки ГЛОНАСС
Угол места а = 5° а = 15° а = 25°
Минимальное количество видимых НКА 6 4 3
Рис. 5. Принцип работы технологии АЯА1М
Технология АА1М позволяет обходиться минимально двумя навигационными созвездиями, в которых наблюдается не менее 4 КА для поддержания контроля целостности. На сегодняшний день такие ограничения не являются значимыми для гражданских потребителей в мирное время.
Однако военные потребители Российской Федерации при использовании спутниковой навигации могут полагаться только на навигационное поле системы ГЛОНАСС. Для осуществления автономного контроля целостности придется использовать ЯА1М-алгоритмы.
Чтобы предусмотреть возможное событие отказа одного из аппаратов во время оценки
Для удовлетворения сформулированного выше условия о количестве видимых НКА необходимо увеличить их количество на:
• 1 для угла места 5°;
• 2 для угла места 15°;
• 2 для угла места 25° [11, С. 58].
Решить данную задачу возможно различными способами:
• размещением геостационарного дополнения над территорией Российской Федерации;
• построением высокоэллиптического дополнения;
• расширением штатной орбитальной группировки;
• построением низкоорбитального дополнения.
В случае размещения КА на геостационарной орбите и построения высокоэллиптического дополнения произойдет значительное повышение тактико-технических характеристик системы, с возможностью закладки поправок на КА сред-неорбитального сегмента и передачи сообщений, однако лишь регионально - преимущественно над территорией Российской Федерации, чтобы учесть национальные интересы [12].
6. Низкоорбитальное дополнение
Наибольший интерес для изучения представляет вариант с построением низкоорбитального дополнения. Этому способствуют назревшие предпосылки:
47
Том 5
48
• развитие компьютерного моделирования, которое позволяет рассматривать сложные структуры орбитального сегмента;
• требование заказчиков о переходе на отечественную электронно-компонентную базу;
• необходимость высоких темпов обновления системы и космического сегмента в частности (вместе с предыдущим пунктом эта предпосылка подразумевает низкий срок активного существования порядка 3-5 лет);
• необходимость стремительного роста эксплуатационных характеристик системы ГЛОНАСС на глобальной территории;
• развитие сегмента потребителей навигационных сигналов и, как следствие, рост количества услуг, предоставляемых глобальными спутниковыми навигационными системами, включая сервисы высокоточной навигации в реальном времени;
• поиск нестандартных решений по снижению конечной стоимости производства и эксплуатации системы ГЛОНАСС;
• стремительное развитие композиционных материалов, позволяющих конструировать легкие и прочные конструкции КА с нестандартной конфигурацией;
• стремление мирового спутникострои-тельного сообщества к широкому внедрению малых КА.
Моделирование средних характеристик объединенного штатного созвездия ГЛОНАСС с низкоорбитальным дополнением показало наименее затратные варианты, при которых глобальная навигация с использованием КА1М-алгоритмов остается возможной с вероятностью 0,95 на высоких углах места. Результаты моделирования представлены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты моделирования низкоорбитального дополнения
Высота 1000 км Высота 2000 км вариант 1 Высота 2000 км вариант 2
Угол видимости
а = 5° а = 15° а = 25° а = 5° а = 15° а = 25° а = 5° а = 15° а = 25°
Видимость, КА 11 7 5 10 7 5 10 7 5
PDOPср. 1,317 2,084 3,371 1,444 2,217 3,393 1,430 2,170 3,365
^МКА 161 63 60
Мш 7 7 5
i 90°
Заключение
Построение низкоорбитального дополнения к системе ГЛОНАСС способно решить задачу автономного контроля целостности навигационного поля, усилив при этом контроль целостности непосредственно самой системой (с помощью применения КА1М-алгоритмов на низкоорбитальных НКА). Информация целостности в сигнале сразу излучается с каждого спутника на подспутнико-
вую область и по экспертным оценкам доступна потребителю с задержкой около 3 секунд, что позволяет выполнить требования ИКАО об информировании в течение 6 секунд.
Данное решение является перспективным с точки зрения развития космического сегмента и возможности расширения предоставляемых услуг. Оно требует детального исследования, в первую очередь по эксплуатационным, финансовым и производственным параметрам.
Список литературы
[1] Рабочая группа C: ARAIM Техническая подгруппа - Промежуточный вопрос Доклада 1.0 / EU-U.S. Кооперация по спутниковой навигации. 2014. 76 с.
[2] Фернандез Г., Перикачо Д. Г., Джаники К. Комплект для демонстрации алгоритма ARAIM от начала до конца: материалы Европейской навигационной конференции (ENC 2020) / Deutsche Gesellschaft für Ortung und Navigation (DGON), German Institute of Navigation. Германия, Дрезден. 2020. 10 с.
[3] Чеботарев В. Е., Косенко В. Е. Основы проектирования космических аппаратов информационного обеспечения : учеб. пособие ; Сиб. гос. аэрокосм. ун-т. Красноярск, 2011. 488 с.
[4] Разработка, производство, испытания и эксплуатация космических аппаратов и систем: материалы науч.-техн. конф. молодых специалистов / ОАО «Информ. спутниковые системы» им. акад. М. Ф. Решетнева». Железногорск. 2011. 435 с.
[5] Харисов В. Н., Перов А. И., Болдин В. А. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования. М. : Радиотехника, 2010. 800 с.
[6] Сетевые спутниковые радионавигационные системы / В. С. Шебшаевич, П. П. Дмитриев, Н. В. Иванцевич [и др.] ; под ред. В. С. Шебшаевича. 2-е изд., перераб. и доп. М. : Радио и связь, 1993. 408 с.
[7] ГОСТ Р 52928-2010. Система спутниковая навигационная глобальная. Термины и определения. М. : Стандартинформ, 2018.
[8] Комраков Д. В. Контроль целостности навигационной информации в глобальных навигационных спутниковых системах [Электронный ресурс]. URL: tstu.ru/book/elib/pdf/stmu/2014/67.pdf/ (дата обращения 22.10.2020).
[9] Комплексная автоматизированная система сбора и доведения информации о состоянии ГНСС до авиационных пользователей (КАС СиДИМ). RAIM. [Электронный ресурс]. URL: spectr.gkovd.su/raim (дата обращения 25.02.2021).
[10] Ревнивых С. Г., Косенко В. Е., Шилко И. И. СЧ НИР «Лидер-СВ». Реализация мероприятий по обеспечению совместимости и взаимодополняемости ГНСС в части космических комплексов: отчет о мероприятиях. 49 АО «ИСС», 2020. 130 с.
[11] Леонидов Н. В. Исследование и разработка перспективных направлений развития орбитальной группировки ГЛОНАСС с использованием новых сигналов CDMA : дисс. ... магистра: 24.04.01. Санкт-Петербург, БГТУ, 2020, 120 с.
[12] Камнев Е. Ф., Аболиц А. И., Акимов А. А., Белов А. С., Бобков В. Ю., Пелехатый М. И. Системы спутниковой связи с эллиптическими орбитами, разнесением ветвей и адаптивной обработкой. М. : Глобсатком, 2009. 724 с.
AUTONOMOUS ALGORITHMS FOR MONITORING THE INTEGRITY OF THE NAVIGATION FIELD IN RELATION
TO GNSS GLONASS
N. V. Leonidov
JSC «Academician M. F. Reshetnev» Information Satellite Systems», Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, Russian Federation Reshetnev Siberian State University of Science and Technology,
Krasnoyarsk, Russian Federation
The purpose of this article is to analyze the existing algorithms of autonomous control of the integrity of the navigation field of the GLONASS system. The analysis is based on domestic materials and official foreign applications. At the beginning of the article, the concept of the integrity of the global navigation satellite system is given in the form in which it is used in International Civil Aviation Organization and among the developers of such systems. The differences between the common types of control of the integrity of the navigation field are shown. The modeling of individual operational characteristics, including the average geometric factor, visibility, and accessibility for different angles of the site, is carried out. The main solutions to the problem of reduced tactical and technical characteristics of the system are compared. The existing prerequisites for the improvement of the GLONASS system and for the use of small navigation spacecraft to eliminate the gap between GLONASS and competing global navigation satellite systems are listed. As a result, a variant of improving the circumstances for the application of these algorithms in unfavorable conditions in relation to the GLONASS system is proposed. It is shown that the low-orbit addition to the GLONASS system can significantly improve the tactical and technical characteristics of the complex as a whole and provide higher reliability of the system as a whole due to the operational maintenance of the integrity of the navigation field.
Keywords: GLONASS, autonomous integrity monitoring, small spacecraft, probability offail-
ure, positioning accuracy.
References
[1] Working Group C: ARAIM Technical Subgroup - Interim report Issue 1.0 / EU-U.S. Cooperation on Satellite Navigation, 2014, 76 p.
TOM 5
[2] Fernández G., Pericacho J. G., Janicki K. End-to-End ARAIM demonstrator: magicARAIM suite: materials of European Navigation Conference (ENC 2020) / Deutsche Gesellschaft für Ortung und Navigation (DGON), German Institute of Navigation. Germany, Dresden, 2020, 10 p.
[3] Chebotarev V E., Kosenko V. E. Osnovyproektirovaniya kosmicheskikh apparatov informatsionnogo obespecheniya [Fundamentals of spacecraft design information support]. Krasnoyarsk, SibSAU, 2011, 488 p. (In Russian)
[4] Development, production, testing and operation of spacecraft and systems: materials of scient.-tech. conf.of young specialists / JSC «Information satellite systems» named after acad. M. F. Reshetnev», Zheleznogorsk, 2011, 435 p.
[5] Kharisov V. N., Perov A. I., Boldin V. A. GLONASS. Printsipy postroeniya i funktsionirovaniya [GLONASS. Construction principles and operation]. Moscow, Radiotekhnika Publ., 2010, 800 p. (In Russian)
[6] Shebshaevich V. S., Dmitriev P. P., Ivantsevich N. V., Kalugin A. V., Kovalevsky E. G., Kudiyavtsev I. V, Kutikov V. Yu., Molchanov Yu. B., Maksyutenko Yu. A. Setevye sputnikovye radionavigacionnye sistemy [Network satellite radio navigation systems]. Moscow, Radio i svyaz' Publ., 1993, 408 p. (In Russian)
5° [7] State standard GOST R 52928-2010. Global navigation satellite system. Terms and definitions. Moscow, Standartinform, 2018. (In Russian)
[8] Komrakov D. V. Kontrol' celostnosti navigacionnoj informacii v global'nyh navigacionnyh sputnikovyh sistemah [Monitoring the integrity of navigation information in global navigation satellite systems]. Available at: tstu.ru/book/ elib/pdf/stmu/2014/67.pdf/ (accessed 22.10.2020). (In Russian)
[9] Kompleksnaya avtomatizirovannaya sistema sbora i dovedeniya informacii o sostoyanii GNSS do aviacionnyh pol'zovatelej (KAS SiDIM). RAIM [Integrated automated system of gaining and providing the information about the state of GNSS for the aircraft users (KAS SiDIM). RAIM]. Available at: spectr.gkovd.su/raim (accessed 25.02.2021). (In Russian)
[10] Revnivy'x S. G., Kosenko V E., Shilko I. I. SCH NIR «Lider-SV». Realizaciya meropriyatij po obespecheniyu sovmestimosti i vzaimodopolnyaemosti GNSS v chasti kosmicheskih kompleksov [Part of the research work «Leader-SV». Implementation of measures to ensure the compatibility and interoperability of GNSS in the part of space systems: report on activities]. JSC «ISS», 2020, 130 p. (In Russian)
[11] Leonidov N. V. Issledovanie i razrabotka perspektivnyh napravlenij razvitiya orbital'noj gruppirovki GLONASS s ispol'zovaniem novyh signalov CDMA [Research and development of promising directions for the development of the GLONASS orbital constellation using new CDMA signals]. Master's thesis, BSTU, Saint-Petersburg, 2020, 120 p. (In Russian)
[12] Kamnev E. F., Abolits A. I., Akimov A. A., Belov A. S., Bobkov V. Yu., Pelekhatyy M. I. Sistemy sputnikovoj svyazi s ellipticheskimi orbitami, razneseniem vetvej i adaptivnoj obrabotkoj [Satellite communication systems with elliptical orbits, branch spacing and adaptive processing]. Moscow, Globsatkom, 2009, 724 p. (In Russian)
Сведения об авторах
Леонидов Николай Владимирович - инженер АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва», аспирант Сибирского государственного университета науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнёва, окончил магистратуру БГТУ «Военмех» в 2020 году. Область научных интересов: проектирование подсистемы роевой группировки из малых КА в качестве орбитального дополнения к системе ГЛОНАСС. ОИСГО: 0000-0003-1440-7664
