CC BY
23
УДК 528.9
СПУТНИКОВАЯ НАВИГАЦИОННАЯ СИСТЕМА «ГАЛИЛЕЙ»
А.П. Белаш (КамчатГТУ)
Рассмотрены некоторые вопросы построения спутниковой навигационной системы «Галилей» и требования к ее приемной аппаратуре.
Some matters of construction of satellite navigation system «Galileo» and requirements to the receiving equipment are considered in the article.
Общие сведения
В начале ХХ1 в. (2002-2004 гг.) в средствах морской информации стали появляться краткие сведения о новой спутниковой системе навигации под названием «Галилей». В некоторых источниках информации она называлась «Галилео». Приведем более подробные сведения об этой системе.
«Галилей» - европейская навигационная спутниковая система. Она устроена как полностью гражданская система, работающая под контролем общества. Система «Галилей» построена по классической схеме и состоит из трех основных компонентов: созвездия искусственных спутников Земли (ИСЗ), наземных станций слежения, аппаратуры потребителей
Созвездие ИСЗ состоит из 30 спутников, вращающихся на трех круговых средневысоких орбитах. Каждая орбита имеет угол наклона 56°, содержит девять рабочих спутников и один запасной. Такая геометрия спутников обеспечивает возможность принимать в любой точке земного шара как минимум сигналы от шести спутников, обеспечивая фактор ухудшения точности местоположения (PDOP) менее 3,5. Этот показатель означает, что погрешность определения объекта в пространстве составляет менее 17,5 м.
Каждый спутник системы «Галилей» передает 10 навигационных сигналов и один сигнал поиска и спасания (САР). Сигнал САР передается на одной из полос частот, зарезервированных для аварийных служб (1544-1545 МГц), в то время как 10 навигационных сигналов обеспечиваются в полосах частот, отведенных для радионавигационной спутниковой службы (РНСС):
- четыре сигнала занимают спектр частот 1164-1215 МГц (Е5а-Е5Ь);
- три сигнала занимают спектр частот 1260-1300 МГц (Е6);
- три сигнала занимают спектр частот 1559-1591 МГц (Е2, L1, Е1).
Каждая частота несет два сигнала: первый - это сигнал слежения, так называемый пилотный сигнал, который не содержит данных, но повышает надежность слежения приемника; второй сигнал содержит сообщение с навигационными данными.
Система «Галилей» обеспечивает две различные службы для использования морским сообществом. Открытая служба «Галилей» предоставляет услуги по определению координат, навигации и времени без прямых расходов пользователей. Открытая служба может использоваться на одной (L1), двух (L1, Е5а или L1, Е5Ь) или трех (L1, Е5а, Е5Ь) частотах. Служба безопасности человеческой жизни «Галилей» может использоваться на одной (L1 или Е5Ь) или двух (L1, Е5Ь) частотах. Каждая из частот L1 и Е5Ь несет сообщение с навигационными данными, которое включает информацию о целостности. Частота Е5а не включает данные о целостности.
О наземных станциях слежения за работой спутников известно немного. Исходя из общих закономерностей размещения таких устройств можно лишь предположить, что несколько автоматических станций могут находится на территории государств Восточной Европы (в России, Польши, Германии), а центр управления системой должен быть в Западной Европе (в Испании, Франции или Великобритании). В любом случае автоматические станции, расположенные восточнее центра, собирают информацию о параметрах орбит ИСЗ и передают ее в центр управления системой. Последний обрабатывает собранную информацию, вырабатывает директивы для каждого из 27 рабочих спутников и передает их на спутники, когда они пролетают над центром управления системой.
Судя по тому, что в системе «Галилей» предусмотрена служба безопасности человеческой жизни, можно предположить, что вскоре появятся аварийные радиобуи (АРБ) системы «Галилей» или же приемное оборудование будет снабжено их функциями. Поскольку для
этого выделена отдельная полоса частот, можно считать, что данному вопросу в системе уделяют особое внимание.
Приемное оборудование, которое работает с системой «Галилей» и предназначено для навигационных целей на судах, имеющих скорость не более 70 узлов, должно отвечать требованиям, предъявляемым к судовому навигационному оборудованию Правилом 15 гл. V Конвенции СОЛАС-74. Кроме того, оно должно удовлетворять требованиям стандартов точности.
Данные стандарты охватывают основные требования к определению местоположения, путевого угла, т. е. курса относительно грунта (COG), скорости относительно грунта (SOG) и времени либо для целей судовождения, либо как вводных данных для других функций. Стандарты не распространяются на другие расчетные средства, которые могут быть в этом оборудовании, а также на требования к любым другим системам, которые могут получать данные от приемника, работающего с системой «Галилей». Поскольку на судах будет применяться только приемное оборудование, рассмотрим его более подробно.
Требования к приемному оборудованию системы «Галилей»
Термин «приемное оборудование “Галилей ”» включает все компоненты и блоки, необходимые для надлежащего выполнения системой назначенных функций. Оборудование должно включать следующий минимум устройств:
1) антенну, способную принимать все сигналы системы «Галилей»;
2) приемник системы «Галилей» и процессор;
3) средства оценки расчетных координат (широта - долгота);
4) контроль данных и устройство сопряжения;
5) устройство отображения места судна, и если требуется, другие виды выходов.
Если приемник системы «Галилей» является частью одобренной интегрированной навигационной системы, требования пп. 3-5 могут обеспечиваться интегрированной навигационной системой.
Конструкция антенны должна быть подходящей для установки в таком месте судна, откуда обеспечивается чистый обзор сочетания спутников, принимая во внимание любые препятствия, имеющиеся на судне.
Приемное оборудование системы «Галилей» должно:
1) обеспечивать возможность приема и обработки сигналов определения места, скорости и времени системы «Галилей»:
а) только на частоте L1 - для одночастотного приемника. Приемник должен использовать ионосферную модель трансляции сочетанием спутников для выработки ионосферных поправок;
6) либо на частотах LI и Е5Ь, либо на частотах L1 и Е5а - для двухчастотных приемников. Приемник должен использовать двухчастотную обработку сигналов для выработки ионосферных поправок;
2) обеспечивать информацией о местоположении (в градусах, минутах и тысячных долях минуты широты и долготы);
3) обеспечивать указанием времени, привязанным к всемирному координированному времени (UTC) Международной палаты мер и весов (BIPM);
4) быть снабжено по меньшей мере двумя выходами, с которых информация о местоположении, UTC, курсе относительно грунта (COG), скорости относительно грунта (SOG) и сигналах аварийно-предупредительной сигнализации может поставляться в другое оборудование. Система «Галилей» использует земную систему координат «Галилей» (GTRF), которая является Международной земной системой координат (ITRF) и отличается от системы координат WGS-84 менее чем на 5 см по всему миру. Выход информации о местоположении должен основываться на системе координат WGS-84 и соответствовать международным стандартам. Выход UTC, курса относительно грунта (COG), скорости относительно грунта (SOG) и сигналов аварийнопредупредительной сигнализации должен соответствовать требованиям пп. 16, 18;
5) обеспечивать точность в статическом режиме, при котором координаты антенны определяются в пределах:
а) 15 м (с вероятностью 95%) в горизонтальной плоскости и 35 м (с вероятностью 95%) в вертикальной плоскости для одночастотных приемников, работающих на частоте L1;
6) 10 м (с вероятностью 95%) в горизонтальной плоскости и 10 м (с вероятностью 95%) в вертикальной плоскости для двухчастотных приемников, работающих на частотах L1 и Е5а или на частотах L1 и Е5Ь. Требования к минимальной точности, указанные для двухчастот-
ной обработки, основаны на эксплуатационных требованиях, установленных ИМО в резолюциях А.915(2) и А.953(23) для плавания во входах в гавани, на подходах к портам и в прибрежных водах. Навигационная спутниковая система «Галилей» обеспечит более высокую точность (4 м с вероятностью 95% в горизонтальной плоскости и 8 м с вероятностью 95% в вертикальной плоскости);
6) обеспечивать точность в динамическом режиме, равноценную точности в статическом режиме, указанную в п. 5 и выше, при ожидаемых на судах состояниях моря и качке;
7) обеспечивать минимальное разрешение отображаемых координат (т. е. широты и долготы) в 0,001 минуты;
8) обеспечивать точность определения времени в пределах 50 нс от иТС;
9) обеспечивать возможность автоматического выбора соответствующих сигналов спутников для определения координат судна, скорости и времени с требуемой точностью и частотой обновления;
10) обеспечивать поиск и обработку сигналов спутников при изменении их уровня несущей частоты на входе от 128 до 118 дБм. После завершения поиска сигналов оборудование должно обеспечивать удовлетворительную работу при понижении уровня несущей частоты сигналов спутников до 131 дБм;
11) обеспечивать возможность удовлетворительной работы при обычных условиях помех в соответствии с требованиями резолюции А.694(17);
12) обеспечивать возможность получения координат, скорости и времени с требуемой точностью в течение 5 мин при отсутствии действительных альманах-данных (холодный старт);
13) обеспечивать возможность получения координат, скорости и времени с требуемой точностью в течение 1 мин при наличии действительных альманах-данных (теплый старт);
14) обеспечивать возможность повторного получения координат, скорости и времени с требуемой точностью в течение 1 мин при отсутствии сигналов спутников в течение до 60 с включительно;
15) обеспечивать расчет, представление на устройстве отображения и на цифровой интерфейс новых координат с частотой обновления не более 1 с для плавсредств, подпадающих под требования конвенций, и не более 0,5 с для высокоскоростных судов;
16) предоставлять выходные данные о курсе относительно грунта (COG), скорости относительно грунта (SOG) и иТС с отметкой времени, привязанной к выходным данным о координатах. Требования к точности COG и SOG не должны быть хуже соответствующих эксплуатационных требований к оборудованию курсоуказания, измерения скорости и пройденного расстояния и должны обеспечиваться в различных динамических условиях, которые могут встретиться на судах;
17) обеспечивать по меньшей мере один, обычно замкнутый, контакт, который должен указывать на отказ приемного оборудования системы «Галилей»;
18) иметь двойное устройство сопряжения для облегчения связи, так чтобы сигналы аварийно-предупредительной сигнализации могли быть переданы во внешние системы и чтобы звуковые сигналы этой сигнализации от приемника могли быть подтверждены с внешних систем. Устройство сопряжения должно отвечать соответствующим международным стандартам МЭК;
19) иметь средства обработки дифференциальных данных системы «Галилей» (dGalileo), вводимых в приемник в соответствии со стандартом ITU-R и стандартом RTCM, а также обеспечивать индексацию приема сигналов dGalileo и их применение к координатам судна.
Тестовые проверки и сообщения о неисправностях
Приемное оборудование системы «Галилей» должно давать предупредительный сигнал, когда точность определения координат находится вне границ требований к обычному судовождению в открытом море, прибрежных водах, на подходах к портам, в стесненных водах и на внутренних водных путях, указанных либо в Резолюции А.953(23), либо в дополнении 2 к Резолюции А.915(22) и соответственно в поправках к ним.
Приемное оборудование системы «Галилей» должно выполнять следующие функции:
1) подавать предупреждение в течение 5 с при отказе в расчете координат или в том случае, если новые координаты, основанные на информации сочетания спутников системы «Галилей», рассчитаны за время, превышающее 1 с для плавсредств, подпадающих под требования конвен-
ций, и 0,5 с - для высокоскоростных судов. В таких условиях до возобновления нормальной работы на выходе приемника должна содержаться информация о последних известных координатах и времени обсервации, сопровождаемая четким указанием состояния, чтобы не было неясности;
2) использовать автономный приемник контроля целостности системы (RAIM) для обеспечения характеристик целостности, соответствующих совершаемой работе;
3) обеспечивать функцию самоконтроля.
Для приемников, способных обрабатывать сигналы службы безопасности человеческой жизни системы «Галилей», алгоритмы контроля целостности и оповещения должны основываться на подходящей комбинации сообщения о целостности системы «Галилей» и автономного приемника контроля целостности системы (RAIM). Приемник должен подавать сигнал аварийно-предупредительной сигнализации в пределах 10 с (ТТЛ) от начала события, если пороговое значение (или установка срабатывания) 25 м (HAL) превышено в течение по меньшей мере 3 с. Вероятность обнаружения события должна быть более 99,999% за 3-часовой период (риск целостности < 100/3 ч).
Необходимо предпринять меры предосторожности против повреждения оборудования в результате или случайного короткого замыкания, или заземления антенны, или в результате чего-либо подобного в устройствах, подключенных к выходу или на вход, или в любом входе - выходе приемного оборудования системы «Галилей» в течение 5 мин или менее.
Литература
1. Резолюции ИМО: Сб. № 32. - СПб.: ЦНИИМФ, 2007. - 160 с.
2. Ильин А.А. и др. Цифровые терминалы спутниковых систем связи. - СПб.: Деан, 2005. - 190 с.
