CC BY
50
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТОЧНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ АВАРИЙНЫХ РАДИОБУЕВ В СРЕДНЕОРБИТАЛЬНОМ СЕГМЕНТЕ КОСПАС-САРСАТ
Антонов Дмитрий Владимирович,
начальник сектора, АО "Российские космические системы", Москва, Россия, dmitry.vl.antonov@gmail.com
Федосеев Андрей Викторович,
заместитель начальника отдела,
АО "Российские космические системы", Москва, Россия
Ключевые слова: КОСПАС-САРСАТ, СССПС, Демонстрация и Оценка, СПОИ, определение координат, оценка точности.
Представлены результаты Международных тестов КОСПАС-САРСАТ по оценке точности определения координат аварийных радиобуев (АРБ) на фазе II "Демонстрации и Оценки" среднеорбитальной спутниковой системы поиска и спасания (СССПС), полученные на московской станции приема и обработки информации (СПОИ). По результатам проведенных тестов точность определения координат АРБ, полученная на московской СПОИ, получилась в 2-3 раза лучше 5 км, заданных требованиями системы СССПС. Этот факт подтверждает высокие точностные характеристики московского СПОИ и принципиальную возможность выполнения требований СССПС в целом, а значит и правильности заложенной концепции размещения ретрансляторов сигналов АРБ на космических аппаратах глобальных навигационных систем (ГЛОНАСС, GPS и Galileo). Приведены формулы для теоретической оценки точности определения координат АРБ, получаемой с 95-процентной вероятностью, в зависимости от координат и векторов скорости спутников-ретрансляторов и координат АРБ. Представлены сравнительные графики теоретически рассчитанных точностей определения координат АРБ и реальных ошибок местоопределения, полученные во время тестов. Продемонстрировано соответствие реально получаемых и теоретически рассчитанных точностей определения координат. Отмечено негативное влияние неполноты космического сегмента, который использовался в испытаниях, выражающееся в непродолжительных интервалах ухудшения взаимной геометрии расположения АРБ и спутников-ретрансляторов и как следствие, приводящее к ухудшению точности определения координат.
Проведен анализ результатов, предоставленных участниками "Демонстрации и Оценки".
Для цитирования:
Антонов Д.В., Федосеев А.В. Экспериментальные исследования точности определения координат аварийных радиобуев в среднеорбитальном сегменте КОСПАС-САРСАТ // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2016. Том 10. №11. С. 22-27.
For citation:
Antonov D.V., Fedoseev A.V. Experimental research of accuracy positioning of emergency beacon in COSPAS-SARSAT. T-Comm. 2016. Vol. 10. No.11, рр. 22-27. (in Russian)
Введение
В настоящее время завершается процесс коренной модернизации Международной космической системы КОСПАС-САРСАТ, разработанной для оповещения об аварийных ситуациях и определения местоположения персональных аварийных радиобуев и аварийных радиобуев, установленных на кораблях и летательных аппаратах. Эта модернизация заключается во внедрении в систему КОСГ1АС-САРСАТ так называемого среднеорбитального сегмента, в котором используются космические аппараты (КА) навигационных систем - российские ГЛОНАСС, американские G PS и европейские Galileo, с высотой орбит от 19 тыс. до 23 тыс. км.
Сред неорбитальные космические элементы КОСПАС-САРСАТ сформируют систему под названием СССПС, На этих КА устанавливаются ретрансляторы сигналов АРБ, работающих в диапазоне частот 406.0 - 406.1 МГц, которые до этого использовались в низкоорбитальном и геостационарном сегментах КОСПАС-САРСАТ.
Использование среднеорбитальных КА в системе КОС-ПАС-САРСАТ, при сохранении в ней существующих АРБ, потребовало решения ряда достаточно сложных научно-технических задач. Важнейшая из них - получение точности независимого определения координат АРБ не худшей, чем в низкоорбитальном сегменте. Теоретическое решение этой проблемы приведено в [1].
11редставлены результаты экспериментальной проверки этого решения, полученные в ходе проведенных в 2015 г. Международных испытаний СССПС на фазе К «Демонстрации и Оценки», предшествующей переходу к фазе опытной эксплуатации Системы.
Для обеспечения заданной точности определения координат АРБ требуется высокая точность измерений навигационных параметров, получаемых на наземных станциях приема и обработки информации при приеме ретранслированных через КА сигналов АРБ.
По всему миру размещено от 20 до 30 СПОИ. На каждой такой станции устанавливается несколько (4-6) антенн, каждая из которых принимает сигналы АРБ, переданные через различные спутники-ретрансляторы, и измеряет времена прихода этих сигналов на спутники и их частоты.
По терминологии КОСПЛС-САРСАТ эти величины называются соответственно ТОЛ (time of arrival) и FOA {frequency of arrival). Па московской СПОИ с.к.о. измерений ТОЛ составляет 20 мкс, FOA - 0,08 Гц. Следует отметить, что на момент написания статьи, на зарубежных СПОИ точность измерений ТОА также составляла примерно 20 мкс, в то время как точность измерений FOA значительно хуже (0,2-0,4 Гц). Как показано в [1|, основной же вклад в точность определения координат АРБ вносят измерения FOA. На московской СПОИ высокая точность измерений FOA была достигнута за счет использования приемников ретранслированного сигнала со специально разработанными алгоритмами для оптимальной цифровой обработки сигналов от APR, изготовленных фирмой «Метрон». На момент написания статьи, эти приемники не имеют аналогов в мире по своим характеристикам.
Согласно требованиям КОСПАС-САРСАТ для среднеорбитального сегмента координаты АРБ должны быть определены с ошибкой не более 5 км в 95% случаев в течение
10 минут после активации АРБ [2| (АРБ в среднем излучает посылку раз в 50 секунд, за 10 минут он успевает излучить 13 посылок). Для определения координат АРБ используется метод наименьших квадратов, входными данными являются все измерения ТОА и FOA, полученные за это время.
На фазе II испытаний «Демонстрация и Оценка» оценке точности определения координат АРБ были посвящены два теста. В первом тесте с помощью специальных имитаторов АРБ имитировались аварийные сигналы от нескольких АРБ. Во втором тесте тридцать пять серийных АРБ излучали аварийные сообщения в нескольких точках земного шара. Приводятся результаты этих тестов, полученных с помощью московской СПОИ,
Тест с имитатором (D&E Т4)
Данный тест проводился для оценки точностных, вероятностных и временных характеристик среднеорбитального сегмента КОСПЛС-САРСАТ. Основной целью теста была оценка точности определения координат АРБ в 95% случаев после излучения 1,2, 3, 5, 7 и 13 посылок [3].
Дш излучения аварийных сигналов использовался специально запрограммированный имитатор АРБ. Имитировалась работа двадцати пяти АРБ, каждый имитируемый АРБ работал на протяжении 10 минут, в течение которых излучал 13 посылок. В течение 24 часов имитация работы двадцати пяти АРБ была повторена 48 раз (один раз каждые пол часа). Проведение теста в течение 24 часов позволило оценить результаты при различных взаимных конфигурациях имитируемых АРБ и спутников-ретрансляторов.
В тесте использовались все 4 антенны московского СПОИ. Космический сегмент был представлен 16 спутниками-ретрансляторами GPS, 2 - ГЛОНАСС, 1 - Galileo.
В таблице 1 представлено расписание тестов и месторасположение имитаторов излучаемого сигнала.
Таблица 1
Идентификатор гесга Местоположеи ие имитатора Начало теста (UTC) Конец теста (UTC)
T4-I Франция, Тулуза 19.03.2015 14:00 20.03.2015 14:00
J4-2 США, Мэриленд 25.03.2015 12:00 26.03.2015 12:00
] 4-3 США, Гавайи 26.03.2015 23:00 27.03.2015 23:00
T4-4 США, Флорида 16.04.2015 14:00 [7.04.2015 14:00
Результаты теста Т4-1, В таблице 2 представлены ос-редненные за 24 часа результаты теста, имитатор находился в г, Тулуза, Франция (расстояние от московской СПОИ составляет 2900 км). Совместная видимость имитатора АРБ и станции СПОИ в Москве по крайней мере 3 спутниками-ретрансляторами была обеспечена в 92% времени. При количестве спутников-ретрансляторов в совместной видимости менее 3 (8% от времени теста) обработка данных не производилась.
Результаты тестов Т4-2, Т4-3, Т4-4. Ввиду большой удаленности имитаторов, расположенных в США и неполного космического сегмента, статистика по этим тестам не столь обширна, как по тесту Т4-1. В таблице 3 отображены основные результаты этих тестам.
Тест с аварийными буями (О&Е Т5)
Задачи и критерии оценки теста с аварийными буями такие же, как и для теста Т4, но только при использовании реальных АРБ |3|. В тесте использовались тридцать пять
T-Comm Vol. 10. #11-2016
У
Т-Сотт Том 10. #11-2016
У
Таблица 4
№ Номер буя Страна Расстояние доСПОИ-СО, км Точность по X посылкам в 95% случаев, км
! посылка 2 посылки 3 посылки 4 посылки 5 посылок 6 посылок 7 посылок 13 посылок
1 21РО0Р9502РРВРТ Турция 1 744 4.29 3.30 3.07 2.93 2.39 1.92 1.67 1.52
2 21РООР953АРРВРР Турция 1 744 7.86 6.57 5.61 4.51 4.37 3.55 3.21 2.06
3 203С6Р08Р8РРВРТ Норвегия 1 758 4.83 4.10 2.94 2.97 2.43 2.03 1.92 1.60
4 21РО0Р9520РРВРР Турция 1 769 7.07 5.36 4.25 4.22 3,90 3.15 2.88 2.41
5 21РООР9532РРВРР Турция 1 769 10.95 9.48 7.93 6.95 6.68 7.28 4.91 3.54
6 21 ри0р9514РРВРР Турция 1 769 8.41 7.78 6.00 5.89 5.45 5.04 6.09 3.26
7 1ЕРС6А8700РТВРР Италия 2216 5.67 4.53 4.02 2.93 3,06 3.09 3.11 1.91
8 1С7С084В20РРВРР Франция 2 425 4.02 2.92 2.51 2.38 1.98 2.12 1.87 1.20
9 т1С6С1ВВ2РРВРТ Англия 2 484 5.17 4.41 2.89 2.62 2.70 2.73 1.86 1.40
10 1[>1С6С1ВВ6РРВРР Англия 2 484 4.80 3.37 2.80 2.13 2.25 2.10 1.69 1.42
11 11>П)610004РРВРР Англия 2 484 9.35 7.11 6.17 5.27 4.65 3.64 3.99 3.21
12 1 Г.> 1062801ЗРРВРР Англия 2 484 9.38 7.18 5.78 4.57 4.96 3.39 2.81 3.11
13 тшобСбэсррврр Англия 2 484 4.55 4.11 3.49 3.04 1.89 1.85 1.74 1.12
14 Ю1Е ИК1С РРВРР Англия 2 484 3.55 2.99 2.58 2.28 2.12 2.11 2.56 1.66
15 ! Г>1 Е121А9СТРВРР Англия 2 484 4.30 3.45 2.76 2.14 2,08 1.94 1.49 1.07
16 1 П>104Г1 В9СРРВРР Англия 2 484 4.85 3.93 3.35 2.79 2.46 2.53 2.19 2.24
17 1С7С084В5СРРВРР Франция 2 888 4.63 4.03 3.69 3.02 2.71 2.73 2.39 2.10
18 1С7С084В5АРРВРР Франция 2 898 4.57 3.61 3.14 2.62 2.25 2.08 2.44 1.51
Теоретическая точность получаемого решения.
Зная координаты АРБ, координаты и векторы скорости спутников-ретрансляторов и точность определения измеряемых параметров ТОА и ГОЛ, можно рассчитать параметры эллипса рассеяния - большую полуось (а), малую полуось (Ь) и угол наклона эллипса (а) [4]. Вероятность попадания случайной точки в эллипс, полуоси которого растянуты в т раз, равна [5]:
—т
Р(т) = 1-е 2 (1)
Вероятность 95% получается при коэффициенте т = 2,45. Таким образом, полуоси эллипса, в который попадает 95% определённых координат равны:
А = 2,45-а В =. 2,45 -Ь
За теоретическую точность принимается большая полуось получившегося эллипса (А).
(2)
различных факторов, во время эксперимента на СПОИ были приняты не все излученные посылки, К таким факторам можно отнести неравномерную диаграмму направленности антенн АРБ (по спецификациям КОСПАС-САРСАТ АРБ можег иметь значительное ослабление сигнала при углах места больше 60 градусов), помехи, отражение сигналов АРБ от местных объектов («многолучёвость»}.
Также стоит отметить, что из-за ограниченности космического сегмента на момент проведения тестов не было возможности составить план слежения антенн СПОИ за спутниками-ретрансляторами так, чтобы теоретическая точность определения координат АРБ была более-менее равномерной. Из-за этого, иногда, происходило значительное ухудшение геометрии расположения АРБ и К А-ретрансляторов.
Сравнение теоретических и экспериментальных точностей определения координат АРБ
Для сравнения теоретических и экспериментальных точностей на рисунках 2-4 представлены графики по трем АРБ из теста Т-5 для случая определения координат за 10-минутный интервал времени (что эквивалентно 13 излученным посылкам).
При смене космических аппаратов, за которыми следили антенны СПОИ, теоретическая точность изменяется скачком, это объясняет разрывы на графике. При расчете теоретической точности предполагалось, что были приняты все посылки, ретранслированные через КА, за которыми в данный момент следили антенны СПОИ. Однако, вследствие
I 3 1
I
1 де,
1 1
' \ V,
-г- / \
ТОЛ (ПС +10)
Рис. 2. АРБ в Боло, Норвегия. 09,04.2015
TprCniuiHHr
{
■
. \ ■ J:
_ ,7". % „ * ■ ». , • ■ У_у Л • . ,
тол (ГТС +10)
Рис. 3. АРБ в Шотландии, 07.04.2015
1
Тррйоввиие -
! ;
N у. if
ТОЛ (ПС +10)
Рис. 4. АРБ в Бари, Италия. 31.03.2015
На этих рисунках введены следующие обозначения:
теоретически рассчитанная точность получения координат АРБ в 95% случаев;
■ реально получившейся ошибки решений;
требование КОСПАС-САРСАТ по точности для решения, полученному за 10 минут
Как видно из этих графиков, в большинстве случаев полученная в эксперименте точность определения координат АРБ соответствует теоретически рассчитанной точности и практически всегда значительно лучше требуемой (5 км), В будущем, при полностью развернутом космическом сегменте, будет возможность составлять план слежения антенн СПОИ за с путникам и-ретранслятора ми таким образом, чтобы полностью избежать интервалов значительного ухудшения точности определения координат АРБ в зоне ответственности СПОИ.
Выводы
Проведенные тесты подтверждают высокую точность определения координат АРБ с помощью московской СПОИ. В большинстве случаев точность определения координат АРБ получилась выше требуемых 5 км в 2-3 раза, как в тесте с использованием имитатора, так и в тесте с реальными АРБ. Выполнение требований КОСПАС-САРСАТ московской СПОИ показывает принципиальную возможность выполнения требований СССПС в целом, а значит и правильность заложенной концепции размещения ретрансляторов сигналов АРБ на космических аппаратах глобальных навигационных систем (ГЛОНАСС, GPS и Galileo).
Практически полученные точности определения координат АРБ соответствуют теоретически рассчитанным точностям. Во время проведения тестов иногда возникали непродолжительные интервалы ухудшения геометрии взаимного положения АРБ и спутников-ретрансляторов, что приводило к ухудшению точности определения координат АРБ. В будущем, при полностью развернутом космическом сегменте, этого недостатка можно будет избежать.
Из представленных результатов участниками испытаний фазы II «Демонстрация и Оценка» следует вывод, что на момент написания данной статьи, точностным требованиям СССПС удовлетворяет только московский СПОИ. По-видимому, невыполнение точностных требований другими участниками тестов объясняется использованием неоптимальных алгоритмов обработки сигналов АРБ, планирования наведения антенн на спутники-ретрансляторы и решения навигационной задачи.
1. Антонов Д.В, Архангельский В. А., Белогмпова Н.Ю. Точность определения координат аварийных радиобуев по измерениям частот и времен прихода сигналов этих буев на космические аппараты сред неорбитального сегмента системы КОСПАС-САРСАТ // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт, - 2016. - Том 10. - №1. -С. 62-67.
2. COSPAS-SARSAT MEOLUT PERFOMANCE SPECIF1AT10N AND DESIGN GUIDEL1NES C/S Т.019, Issue 1, December 2015.
3. COSPAS-SARSAT DEMONSTRATION AND EVALUATION PLAN FOR THE 406 MHz MEOSAR SYSTEM C/S R.01S, Issue 2 -Revision 2, October 2014,
4. Антонов Д. В. «Оптимальное планирование наведения на К А наземных антенн среднеорбитального сегмента системы КОСПАС-САРСАТ». Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы, 2014. Т. 1, выпуск 4, С. 17-22.
5. Вентцель Е.С. Теория вероятностей, 4-е изд. М.: Наука, 1969, 576 с.
Литература
EXPERIMENTAL RESEARCH OF ACCURACY POSITIONING OF EMERGENCY BEACON IN COSPAS-SARSAT
Dmitry V. Antonov, Moscow, Russia, dmitry.vl.antonov@gmail.com Andrey V. Fedoseev, Moscow, Russia
Abstract
This article describes the results of International COSPAS-SARSAT tests designed to assess the independent location accuracy of distress radio beacons during Phase II of "Demonstration and Evaluation" of Medium Earth Orbit Search and Rescue (MEOSAR) System that had been obtained at Moscow Medium Earth Orbit Location User Terminal (MEO-LUT). The results demonstrated that localization accuracy obtained at Moscow MEOLUT was 2-3 times better than COSPAS-SARSAT requirement (5 km). This fact validated high accuracy performance of Moscow MEOLUT and affirmed the possibility of meeting COSPAS-SARSAT requirements by the MEOSAR system in general. This, therefore, proved the concept of using search and rescue transponders installed aboard navigation satellites (GLONASS, GPS and Galileo). Formulae to estimate the accuracy of independent locations with 95% probability depending of the beacon position and MEOSAR satellites geometry are provided. Comparison of theoretical accuracies and ground-true errors are presented to demonstrate the agreement of theoretical and empirical localization accuracies. It was noted that incomplete space segment had an impact upon the accuracy of localization as mutual geometry of radio beacons and MEOSAR satellite degraded over short periods of time. Analysis of results provided by participants of "Demonstration and Evaluation" was performed.
Keywords: COSPAS-SARSAT, MEOSAR, Demonstration and Evaluation, MEOLUT, independent location, location accuracy. References
1. Antonov D.V., Arhangelskiy V.A., Beloglazova N.Yu. The accuracy of independent location of a distress radiobeacon derived from the measurements of time and frequency of arrival at the COSPAS-SARSAT medium earth orbiting satellites / T-Comm. 2016. Vol. 10. No.1, pp. 62-67. (in Russian)
2. COSPAS-SARSAT MEOLUT PERFOMANCE SPECIFIATION AND DESIGN GUIDELINES C/S T.019, Issue 1, December 2015.
3. COSPAS-SARSAT DEMONSTRATION AND EVALUATION PLAN FOR THE 406 MHz MEOSAR SYSTEM C/S R.018, Issue 2 -Revision 2, October 2014.
4. Antonov D.V. Optimal Satellite Tracking Schedule Algoritm for the Medium Earth orbit Segment of COSPAS-SARSAT. Rocket-Space Device Engineering and Information Systems. 2014. Vol. 1. No 4, pp. 17-22. (in Russian)
5. Venttsel E Probability theory. Moscow: 'Science', Issue 4, 1969. 576 p. (in Russian)
