Обмен данными между подсистемами спутниковой радионавигационной системы ГЛОНАСС Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Радиолокация и радионавигация

УДК 629.78

И. В. Гришанова, Т. В. Рогачева ФГУП "Научно-производственное объединение автоматики

им. акад. Н. А. Семихатова"

Обмен данными между подсистемами спутниковой радионавигационной системы ГЛОНАСС

Рассмотрено взаимодействие подсистем спутниковой радионавигационной системы ГЛОНАСС и структура этих подсистем.

Спутниковая радионавигационная система, навигационный спутник, обмен данными, подсистема контроля и управления, подсистема космических аппаратов, навигационная аппаратура потребителя, навигационная задача

Спутниковые радионавигационные системы (СРНС) в настоящее время существенно влияют на различные сферы человеческой жизни. Они применяются в воздушном, наземном и морском транспорте, в космической технике, в устройствах мобильной связи. СРНС - комплексная электронно-техническая система, состоящая из совокупности наземного и космического оборудования, предназначенная для решения навигационной задачи, т. е. определения пространственных координат потребителя, составляющих вектора его скорости и текущего времени. Параметры, которые определяются в ходе решения навигационной задачи, называются навигационными.

СРНС бывают глобальными и локальными. Глобальные системы предназначены для решения навигационной задачи в любой точке земного шара, а локальные - в конкретной местности. В настоящее время существуют две глобальные СРНС: GPS (Global Positioning System) и ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система). Последняя является системой отечественной

разработки. Она имеет в своем составе 28 навигационных спутников, из которых 24 работают в штатном режиме, 3 - в резерве, 1 - проходит испытания. Спутники обновляют по истечении срока службы, а также заменяют усовершенствованными. Помимо спутников в состав ГЛОНАСС входят наземный сегмент и аппаратура потребителей. Все эти подсистемы находятся в постоянном взаимодействии, т. е. обмениваются данными: навигационная аппаратура потребителей (НАП) принимает данные от подсистемы космических аппаратов (ПКА) и на их основе решает навигационную задачу; подсистема контроля и управления (ПКУ) контролирует корректность работы ПКА. В настоящей статье рассмотрено взаимодействие подсистем СРНС ГЛОНАСС.

Схема взаимодействия ПКА, ПКУ и НАП представлена на рис. 1. Рассмотрим эти подсистемы более подробно.

ПКА представляет собой совокупность навигационных спутников (НС), вращающихся вокруг Земли в трех различных плоскостях. Каждый из

ЦУС

КОС

КС

пку | !

I

АКП

I

ЦС

СКФ

___I

Рис. 1

ПКА

НС

НС

НАП

Пользовательские навигационные

устройства Транспортные

сети Сотовая связь Геодезия

© Гришанова И. В., Рогачева Т. В., 2013

45

НС проходит точно тот же путь, что и предыдущий спутник в его плоскости, благодаря чему легче спрогнозировать местоположение каждого из них. Орбиты спутников негеосинхронны, поэтому при каждом витке вокруг Земли спутники смещаются приблизительно на 21° по долготе и таким образом возвращаются в исходную точку спустя 17 витков. Период обращения спутников вокруг Земли составляет 11 ч 15 мин, а период их возврата в исходную точку - приблизительно 8 дней [1].

Каждый из НС посылает навигационные сигналы для НАП, а также принимает массивы командно-программной информации от ПКУ

НС содержит следующие структурные элементы [2]:

- бортовой источник радионавигационных сигналов (БИРНС);

- антенно-фидерную систему (АФС);

- бортовую аппаратуру межспутниковых измерений (БАМСИ);

- бортовое синхронизирующее устройство (БСУ);

- бортовой комплекс управления (БКУ).

БИРНС формирует и излучает навигационные

сигналы в двух диапазонах. Сигнал диапазона Ь1 модулирован кодом дальности и навигационными данными, сигнал диапазона Ь2 - только кодом дальности. Впоследствии эти сигналы принимаются и обрабатываются НАП.

АФС представляет собой решетку, состоящую из двух групп излучателей, передающую навигационные сигналы в двух диапазонах.

БАМСИ передает широкополосные измерительные сигналы, а также получает их от других НС и на их основе измеряет псевдодальности и псевдоскорости.

БСУ вырабатывает синхроимпульсы для всех узлов навигационного спутника, а также формирует бортовую шкалу времени (БШВ).

БКУ состоит из нескольких подсистем: бортовой аппаратуры командной системы, предназначенной для выполнения команд управления, измерения параметров орбиты спутника и передачи сигналов бортовой шкалы; бортового вычислительного комплекса для обработки навигационной информации и формирования навигационных кадров; блока управления, отвечающего за выдачу питания, и бортовой телеметрической системы.

В настоящее время существует несколько видов спутников [2]: "ГЛОНАСС", "ГЛОНАСС-М", "ГЛОНАСС-К" и "Эталон".

Спутник "ГЛОНАСС" является первым из НС СРНС ГЛОНАСС и не имеет БАМСИ. На данный момент спутники этого типа выводится из эксплуатации.

Спутник "ГЛОНАСС-М" является модификацией предыдущего спутника, имеет по сравнению с ним лучшие целевые и эксплуатационные характеристики. В настоящее время орбитальная группировка спутников состоит из спутников "ГЛОНАСС" и "ГЛОНАСС-М".

Спутник "ГЛОНАСС-К", в отличие от других спутников, имеет сигнал третьего частотного диапазона (Ь3) с кодовым разделением каналов1. Спутники этого типа еще находятся на стадии испытаний.

Пассивный спутник "Эталон" не является НС, однако он тоже представляет часть ПКА. Этот спутник используется ПКУ для измерения дальности. "Эталон" представляет собой сферическое тело, покрытое призматическими отражателями и светорас-сеивающей поверхностью между ними, позволяющей наблюдать за спутником с поверхности Земли.

ПКУ служит для управления НС и контроля навигационного поля. Она представляет собой расположенные в разных городах наземные станции, взаимодействующие между собой и с ПКА. Основными функциями ПКУ являются определение и прогнозирование орбит НС, синхронизация БШВ с центральным синхронизатором, формирование и закладка массивов служебной информации, контроль за состоянием НС и управление ими [2].

Основными составляющими ПКУ являются (см. рис. 1) центр управления системой ЦУС, центральный синхронизатор ЦС, система контроля фаз СКФ, а также различные контрольные станции [2]. Рассмотрим каждый из компонентов ПКУ более подробно.

ЦУС контролирует работу всей ПКУ Он связан со всеми другими элементами ПКУ и получает от них информацию, на основании которой рассчитывает исходные данные для планирования работы элементов ПКУ, а также проводит анализ пространственно-временных характеристик системы и ее баллистической структуры.

ЦС, взаимодействуя с ЦУС, формирует систему времени ГЛОНАСС, используемую другими элементами системы для синхронизации друг с другом.

СКФ необходима для синхронизации фаз сигналов, излучаемых всеми НС. С помощью контрольного навигационного приемника происхо-

Российские космические системы. Инновация: ГЛОНАСС. Стратегии развития / Ю. Урличич, В. Субботин, Г. Ступак и др. // URL: http://www.federalspace.ru/15959

дит сверка принятых от НС дальномерных сигналов с опорными сигналами, полученными от эталона частоты ЦС. Результаты сверки передаются в ЦУС, где на их основе рассчитываются поправки, которые в дальнейшем будут переданы на НС.

Существует несколько видов наземных станций, входящих в состав ПКУ.

Контрольные станции (КС), которые собирают информацию о состоянии НС, передают им служебную информацию и могут ими управлять. Количество КС влияет только на степень загруженности каждой из них; система может работать даже при наличии только одной КС. На некоторых КС располагается аппаратура контроля поля (АКП), которая является высокоточной НАП и также решает навигационную задачу, основываясь на полученной от НС информации. То, что местоположение АКП достоверно известно, позволяет проконтролировать точность решения навигационной задачи, сравнив полученный результат с ожидаемым. Также при решении навигационной задачи на основе информации, полученной от различных спутников, можно сделать вывод о качестве информации, получаемой с каждого из них.

Квантово-оптические станции (КОС) предназначены для высокоточного измерения параметров движения навигационных спутников посредством юстировки радиотехнических каналов измерения дальности КС. Существует три типа отечественных квантово-оптических станций: "Гео -ИК", "Эталон" и "Майданак".

Особенностью системы ГЛОНАСС является то, что она обеспечивает высококачественное управление НС только с территории России. Однако это приемлемо, поскольку основные воздействия на них проводятся не часто: сверка фаз дальномерных сигналов выполняется раз в сутки, синхронизация БШВ - два раза в сутки, расчет альманаха - раз в сутки. Поскольку НС совершают виток за 11 ч 15 мин, станций, расположенных на территории России, достаточно для их обслуживания.

НАП предназначена для предоставления достоверных качественных навигационных данных конечным пользователям. Это устройство, которое принимает сигналы от спутников (см. рис. 1), обрабатывает их и отображает на дисплее рассчитанные навигационные параметры. Набор и точность вычисления параметров зависят от области применения НАП : пользовательские навигацион-

2

РИА Новости. Гурко: приемники ГЛОНАСС могут обеспечить миллиметровую точность // URL: http://web-balancer-main.rian.ru-/interview/20130605/941462275.html#ixzz2j0uwl6HD ; Навигаторы ГЛОНАСС/GPS // URL: http://www.nis-glonass.ru-/about-glonass/gps

ные устройства (автомобильные навигаторы, навигаторы для пеших и велосипедных прогулок, приложения для мобильных устройств); транспортные сети (поезда и самолеты); сотовая связь; геодезия.

Рассмотрим структуру НАП [2]. Приемное устройство (рис. 2) содержит антенну, радиочастотный блок РБ, синтезатор частот СЧ, аналого-цифровой преобразователь АЦП и цифровой вычислитель ЦВ.

Сигнал со спутника в виде электромагнитных волн поступает в антенну. Антенна преобразует эти волны в электрический сигнал и передает его в радиочастотный блок. В радиочастотном блоке принятый сигнал усиливается на высокой частоте, отфильтровывается от шумов и помех и переносится на промежуточную частоту (гетеродинируется). Опорное колебание для гетеродинирования формируется синтезатором частот. Также он синхронизирует работу АЦП и ЦВ. ЦВ выполняет ключевую функцию - решает навигационную задачу.

ЦВ состоит из двух процессоров: сигнального и навигационного [2]. Сигнальный процессор производит первичную обработку сигналов, а навигационный - вторичную. К первичной обработке сигналов относятся: слежение за фазой, частотой и задержкой сигнала; демодуляция входного радиосигнала (выделение навигационного сообщения); оценка отношения "сигнал/шум" для принимаемых сигналов; привязка к системной шкале времени потребителя. Вторичная обработка сигнала заключается в выделении эфемеридной информации, выделении альманахов из навигационного сообщения, оценке навигационных параметров потребителя, решении задачи привязки к опорным точкам и в маршрутизации пользователя. ЦВ имеет программную и аппаратную части. К аппаратной части относится многоканальный коррелятор, а к программной - программируемый вычислитель. Отсчеты с выходов коррелятора поступают в вычислитель, решающий навигационную задачу. Возможна реализация ЦВ полностью программно на персональных вычислительных машинах или цифровых сигнальных процессорах. Достоинства такой реализации заключаются в быстроте разработки новых типов НАП и в гибкости при проектировании.

Рис. 2

НАП принимает данные от спутника в форме навигационных сообщений, в которых содержится оперативная и неоперативная информация. Оперативная информация - данные о спутнике, от которого получено навигационное сообщение - обновляется каждые 30 мин и содержит: эфемериды (координаты спутника и параметры его движения на конкретный момент времени); сдвиг шкалы времени относительно системной шкалы; код метки времени, которая необходима для синхронизации процесса извлечения информации в НАП. Неоперативная информация (или альманах) - данные о системе в целом - обновляется один раз в сутки и содержит данные о состоянии всех НС системы, сдвиги шкал времени каждого спутника относительно системной шкалы времени, параметры орбит всех спутников системы, поправку шкалы времени системы относительно единого координированного времени (UTC - United Time Coordinated).

Скорость передачи данных в ГЛОНАСС составляет 50 бит/с. Навигационное сообщение передается в потоке цифровой информации как повторяющиеся суперкадры длительностью 2.5 с. В них данные содержатся в определенном формате [2]: суперкадр состоит из 5 кадров, кадр - из 15 строк, одна строка содержит 100 бит информации. Длительность передачи одного суперкадра 2.5 с, объем суперкадра - 7500 бит (5 х 15 х 100).

Мощность радиосигнала, принимаемого потребителем от НС "ГЛОНАСС", на выходе приемной линейно-поляризованной антенны с коэффициентом усиления +3 дБ и при угле места НС более 5° составляет не менее -161 дБ Вт для частот диапазона L1 [3].

Мощность радиосигнала, принимаемого потребителем от НС "ГЛОНАСС-М", для частот диапазонов L1 и L2 аналогична при тех же условиях [3].

Точность определения координат пользователя, обеспечиваемая приемниками ГЛОНАСС, может быть разной (от нескольких метров до миллиметровой)3. Она определяется целью, с которой применяется НАП. Миллиметровая точность, необходимая для профессиональных приложений (например, в геодезии), для обычных пользователей (водителей и пешеходов) избыточна. Высокая точность обеспечивается неподвижными приемниками за счет накопления значений измеренных параметров, компенсирующего возмущающие воздействия на сигнал, например из-за возмущений в

3

РИА Новости ... http://web-balancer-main.rian.ru/interview-/20130605/941462275.html#ixzz2j0uwl6HD

ионосфере и тропосфере. Для подвижных приемников возможности накапливать данные нет, так как местоположение приемника постоянно изменяется и актуальные некоторое время назад данные теряют свою актуальность впредь. В настоящее время подвижные приемники ГЛОНАСС способны обеспечить точность до 6 м. Точность временных измерений достигает 1 мкс.

В заключение отметим, что приемников, работающих только с данными системы ГЛОНАСС, мало. В основном применяется комбинация GPS/ГЛОНАСС. Такая комбинация дает выигрыш в доступности навигационных сигналов от спутников, так как общее количество спутников увеличивается в два раза (24 спутника ГЛОНАСС + 24 спутника GPS). Следовательно, найти четыре доступных спутника легче.

В настоящей статье рассмотрены подсистемы СРНС ГЛОНАСС и их взаимодействие. Система ГЛОНАСС является одной из СРНС, позволяющих решать навигационную задачу на всей поверхности Земли. В настоящее время таких функционирующих системы две: ГЛОНАСС и GPS. В разработке находятся системы Galileo (европейская) и COMPASS (китайская). Таким образом, количество конкурирующих с ГЛОНАСС систем возрастет в обозримом будущем. Следовательно, необходимо улучшение существующих характеристик ГЛОНАСС: разработка новых моделей НС с увеличенным сроком службы; введение нового частотного диапазона; использование кодового разделения каналов.

Основная задача СРНС - предоставление потребителям качественной навигационной информации. На корректность решения навигационной задачи влияют все составляющие ГЛОНАСС, поскольку ошибки могут возникнуть в любой из них. Наиболее вероятно появление ошибок при получении и обработке данных в НАП. Следовательно, в целях повышения точности решения навигационных задач и устойчивости к помехам наиболее доступны для коррекции алгоритмы обработки сигналов в НАП.

В настоящее время в НАП навигационная задача решается совместным использованием данных от спутников ГЛОНАСС и GPS. Благодаря такому подходу увеличивается точность определения координат подвижных объектов: при использовании ГЛОНАСС ошибка составляет до 6 м, GPS - до 4 м, а при совместном их использовании - до 3 м.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Конин В. В., Харченко В. П. Системы спутниковой радионавигации. Киев: Холтех, 2010. 520 с.

2. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / под ред. А. И. Перова, В. Н. Харисова. 4-е изд. М: Радиотехника, 2010. 800 с.

3. ИКД L1, L2 ГЛОНАСС. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ. Навигационный сигнал в диапазонах L1, L2 с открытым доступом и частотным разделением (ред. 5.1) / Рос. науч.-иссл. ин-т космического приборостроения. М., 2008. 74 с.

I. V. Grishanova, T. V. Rogacheva

FSUE "Science and production association of automation n. a. acad. N. A. Semikhatov" Data exchange between subsystems of satellite radionavigational system glonass

The interaction of subsystems of satellite radionavigational system and structure of these subsystems are considered.

Satellite radionavigational system, navigational satellite, data exchange, control and manage subsystem, space equipment subsystem, user's navigational equipment, navigational task

Статья поступила в редакцию 13 декабря 2013 г.

УДК 681.322+621.396

О. А. Игнатьева, В. В. Леонтьев, А. А. Пименов Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)

Нейронная сеть как элемент робастной радиолокационной системы классификации мономолекулярных пленок нефти на поверхности моря

Предложена нейронная сеть, формирующая решение о наличии или об отсутствии мономолекулярных пленок средней или тяжелой нефти на поверхности моря. Нейронная сеть входит в состав радиолокационной системы, объединенной в комплекс с пассивными отражателями, расположенными либо по периметру акватории порта, либо на специальных буях в море.

Нейронная сеть, радиолокация, моделирование, рассеяние радиоволн, морская поверхность, эффективная площадь рассеяния, комплексный коэффициент отражения, нефтяная пленка

В настоящее время нейронные сети (НС) применяются при решении задач автоматического управления, классификации и кластеризации данных, распознавания образов, обработки сигналов и т. п. [1]. Перспективы использования НС для обработки радиолокационной информации рассмотрены в монографии [2]. Разработанные программные средства позволяют синтезировать и обучить НС при минимальном участии пользователя. Например, прикладное программное обеспечение "Neural Network Toolbox" фирмы MathWorks, функционирующее под управлением ядра системы MATLAB, содержит множество типовых архитектур НС, методов их адаптации и обучения.

© Игнатьева О. А., Леонтьев В. В., Пименов А. А., 2013

Для физической реализации НС можно использовать программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС). Главным преимуществом ПЛИС является возможность осуществления параллельных вычислений. Кроме того, ПЛИС имеют невысокую стоимость и при реализации разработанной программы обработки радиолокационной информации на языках УЫБЬ или УегИо§ отсутствует привязка к конкретной модели ПЛИС. Все это подтверждает актуальность усилий, направленных на автоматизацию процессов обработки информации в радиолокационных системах различного назначения.

В работе [3] описан метод радиолокационного определения пленочных нефтепродуктов на по-

49