CC BY
20УДК 621.396.98
В. В. Бейнарович
Ростовский филиал Московского государственного технического университета гражданской авиации В. А. Морковкин, А. Г. Нечаенко Ростовская академия сервиса Южно-российского государственного
университета экономики и сервиса
I Структурно-функциональное комплексирование глобальной спутниковой навигационной системы
Рассмотрена проблема повышения точности глобальной навигационной спутниковой системы, предназначенной для управления полетами воздушных судов. Проведенные исследования и их метрологическое обоснование показывают возрастающую эффективность структурно-функционального комплексирования в решении задач концепции CNS/АТММеждународной организации гражданской авиации и позволяют сформировать перспективный научно-практический подход к совершенствованию российских спутниковых радионавигационных систем.
"Глонасс", спутник, радионавигация
Концепция CNS/АТМ (связь, навигация, наблюдение, организация воздушного движения), разработанная Международной организацией гражданской авиации (International Civil Aviation Organization - ICAO), предусматривает интеграцию возможностей спутниковых радионавигационных систем (СРНС) глобального позиционирования GPS (в основном "Navstar" и отечественной "Глонасс"). Указанная интеграция должна обеспечить определение местоположения воздушных судов в воздушном пространстве и формирование на этой основе глобальной спутниковой навигационной системы (global navigation satellite system - GNSS), которая отвечает требуемой точности и целостности навигационного обслуживания во всем воздушном пространстве планеты.
Существующее состояние СРНС "Глонасс" не в полной мере отвечает концептуальным требованиям ICAO. Основными причинами этого несоответствия, по мнению авторов настоящей статьи, являются:
• отсутствие единого реально координирующего федерального органа управления и развития СРНС "Глонасс";
• нестабильность космического сегмента системы;
• необходимость управления СРНС с ограниченной территории и связанные с этим трудности управления и проведения высокоточных временных и навигационных определений;
• проблемы обеспечения на необходимом уровне контроля и поддержания целостности системы;
• недостаточный уровень развития дифференциальных подсистем различного назначения.
Указанное состояние СРНС "Глонасс" и отставание Российской Федерации по темпам ввода новых технических средств в соответствии с концепцией CNS/АТМ постепенно выводит ее из мировой аэронавигационной инфраструктуры, приводя к возникновению серьезных проблем обеспечения аэронавигационного обслуживания международных по-
76
© Бейнарович В. В., Морковкин В. А., Нечаенко А. Г., 2011
летова, а также интеграции российской системы организации воздушного движения в европейскую и мировую системы .
Особую тревогу при этом вызывает нестабильность космической группировки СРНС "Глонасс".
Процесс перехода к перспективным системам, предусмотренным Концепцией CNS/АТМ,
требует повышения объема и уровня исследований, которые в настоящее время сущест-
*
венно отстают от уровня передовых стран .
Необходимо отметить, что СРНС "Глонасс" кроме широкого спектра возможностей ее применения в различных отраслях науки и хозяйства России [1] является важнейшим компонентом сохранения национальной безопасности государства, что наглядно подтвердил военный конфликт между Грузией с одной стороны и Южной Осетией и Абхазией с другой, когда открытые навигационные сигналы GPS "Navstar" были переведены американской стороной в режим селективного доступа, а грузинской стороне предоставлена возможность использования военных сигналов.
Изложенная ситуация показывает, что исследование путей повышения эффективности модернизации и использования сегментов СРНС "Глонасс" является актуальной задачей.
Федеральная целевая программа "Модернизация единой системы организации воздушного движения Российской Федерации (2009-2015 гг.)"* и Постановление Правительства Российской Федерации о создании Госкорпорации по системе "Глонасс" должны ускорить решение задачи создания единого реально координирующего федерального органа управления и развития СРНС "Глонасс". При этом, по мнению авторов настоящей статьи, целесообразно использовать опыт гражданской авиации по объединению военного и гражданского секторов при управлении воздушным движением.
Разработка и реализация перспективных методов и технических решений по совершенствованию существующей СРНС "Глонасс" должны привести к созданию новой модернизированной СРНС, в максимальной степени отвечающей требованиям ICAO по созданию GNSS.
Основными направлениями указанной модернизации должны быть повышение точности навигационных определений, надежности и срока службы бортовой аппаратуры навигационных космических аппаратов (НКА), целостности СРНС, а также развитие дифференциальных и других подсистем.
По состоянию на конец 2009 г. космическая группировка СРНС "Глонасс" состояла из 14 НКА (при требуемом минимуме 18 НКА), на это же время планировался запуск и выведение еще трех КА. Доведение космического сегмента СРНС "Глонасс" до 24, а с учетом необходимого резервирования до 30 НКА, требует наращивания радионавигационных точек дополнительно к существующей космической группировке "Глонасс".
В системе "Глонасс" контроль целостности радионавигационного поля [2] обеспечивается непрерывным автономным самоконтролем работы основных бортовых подсистем НКА, влияющих на качество излучаемых радиосигналов, и внешним контролем сигналов НКА с помощью аппаратуры контроля навигационного поля, входящей в состав наземного комплекса управления (НКУ).
* Федеральная целевая программа "Модернизация единой системы организации воздушного движения Российской Федерации (2009-2015 гг.)" утверждена постановлением Правительства Российской Федерации от 1 сентября 2008 г. № 652 // http://fcp.vpk.ru/cgi-bin/cis/fcp.cgi/Fcp/ViewFcp/View/2010/251
В процессе автономного самоконтроля формируется признак исправности Вп = 0.
Данный признак передается в составе эфемеридной информации с дискретностью 30 с; при этом максимальная задержка от момента обнаружения неисправности до передачи ее признака Вп = 1 не превышает 1 мин.
При внешнем контроле сигналов НКА формируется совокупность обобщенных признаков Сп, п = 1, 24, характеризующих состояние всех НКА системы на момент закладки неоперативной информации (альманаха орбит и фаз); при этом признак Сп = 0 соответствует непригодности для использования п-го НКА, а Сп = 1 указывает на его пригодность. Дискретность передачи признаков Сп составляет 2.5 мин. Эти признаки появляются в составе альманаха не позднее 16 ч после возникновения неисправности.
Сигнал п-го НКА пригоден для навигационных определений только в случае одновременного выполнения условий Вп = 0 и Сп = 1, которые проверяются в навигационной
аппаратуре потребителя.
Указанная процедура дополняется контролем целостности системы, осуществляемым НКУ.
В СРНС "Глонасс", управляемой с ограниченной территории, НКУ орбитальной группировкой НКА может выполнять эфемеридное и частотно-временное обеспечение НКА, мониторинг радионавигационного поля, радиотелеметрический мониторинг НКА и командно-программное радиоуправлене функционированием НКА лишь периодически. Командно-измерительная система в составе НКУ (в каждом сеансе измерений участвует не менее трех НКУ) на географической широте не менее 50° с. ш. "наблюдает" каждый НКА при углах возвышения не менее 5° в течение сеансов длительностью 1...5 ч на каждом витке орбиты НКА [2]. Следовательно, остальные 6.10 ч витки орбиты НКА являются "ненаблюдаемыми", и на них отсутствует возможность проведения указанных операций. В этих интервалах времени НКА работают автономно, что приводит к снижению точности навигационных определений и контроля целостности системы в целом.
В СРНС "№у81аг" рассматриваемые задачи выполняются с помощью пяти контрольных станций (КС) или станций слежения, одна из которых совмещена с главной (ведущей) станцией, и трех наземных станций ввода данных на НКА [2]. КС расположены сравнительно равномерно по Земле вблизи экватора, что создает благоприятные условия для наблюдений НКА. В перспективе, для снижения систематических ошибок в навигационных определениях за счет повышения точности эфемеридного и временного обеспечения сегмента управления планируется ввод восьми новых наземных станций мониторинга.
Россия в силу определенных причин пока лишена возможностей по созданию аналогичной наземной структуры мониторинга и управления НКА СРНС "Глонасс", поэтому предлагается обеспечить выполнение задач НКУ на всем периоде обращения НКА с привлечением геостационарных спутников (ГС).
Предлагаемая модернизированная СРНС "Глонасс" должна содержать следующие навигационные радиотехнические и космические средства:
• модернизированный НКУ;
• космическую группировку модернизированных НКА "Глонасс";
78
• вводимую подсистему триады НКА, находящихся на геостационарной орбите в точках "стояния", равномерно расположенных на угловых расстояниях, равных 120°, таким образом, что два из них постоянно находятся в зоне радиовидимости средств НКУ. В дальнейшем предполагается наращивание количества ГС до шести и их равномерное расположение в плоскости экватора на угловых расстояниях 60°; в этом случае в зоне радиовидимости средств НКУ может находиться до четырех ГС.
Стационарная орбита имеет ряд важных свойств, которые используются при построении подсистемы ГС. Существенно упрощается поиск ГС и наведение на них антенн с Земли и с НКА "Глонасс". ГС обеспечивает постоянную радиовидимость всех объектов, находящихся в зоне его действия. На трассе "НКУ-ГС-НКУ" осуществляется работа с практически постоянными зенитными углами, что существенно облегчает учет влияния тропосферы и ионосферы при определении эфемерид ГС.
Для высокоточного контроля и коррекции функционирования систем НКА "Глонасс" из НКУ через радиовидимые ГС и связанный с ними радионевидимый из НКУ ГС устанавливается постоянный информационный обмен служебной и корректирующей информацией с НКА группировки "Глонасс", с ГС триады; организуются каналы взаимного радиообмена между НКА "Глонасс", ГС триады, а также между последними и НКА группировки "Глонасс". При этом сохраняются структура и технологии радиообмена между НКУ и радиовидимыми им средствами НКА "Глонасс".
Для решения указанных задач на ГС триады предлагается разместить:
• антенно-фидерную систему (в том числе и фазированную антенную решетку), программно переориентируемую на НКА "Глонасс", НКУ и ГС триады;
• многоканальную аппаратуру передачи, приема и обработки сигналов;
• аппаратуру поиска сигналов, излучаемых КНА "Глонасс", ГС триады и КНУ, по задержке и по частоте;
• бортовую аппаратуру совмещенных командно-измерительных систем (аппаратуру телеметрии, командно-программные радиолинии, измеряющие навигационные параметры КНА "Глонасс" и ГС триады с определением радиальной скорости и дальности по радиолиниям «ГС - радиовидимый НКА "Глонасс"», а также дальности между ГС и между радиовидимыми из НКУ ГС и НКУ - последние в сантиметровом и дециметровом диапазонах, и др.);
• бортовую ЭВМ;
• аппаратуру ретрансляции сигналов НКА "Глонасс" радиовидимых ГС по радиолиниям «НКА "Глонасс" - радиовидимые из НКУ ГС - НКУ» или «НКА "Глонасс" - нерадио-видимый из НКУ ГС - радиовидимые из НКУ ГС - НКУ»;
• систему ориентации для устранения погрешностей ориентации ГС;
• аппаратуру, аналогичную функционирующей в НКА "Глонасс";
• аппаратуру передачи сигналов контроля целостности и дифференциальных поправок;
• источники питания бортовой аппаратуры ГС.
Для обеспечения ретрансляции радионавигационных сигналов НКА "Глонасс" в НКУ через ГС, радиовидимые указанными НКА, определения дальности и радиальной скорости по радиолиниям "ГС - НКА" и между НКА на все НКА "Глонасс" предлагается дополнительно установить:
• антенно-фидерную систему, программно ориентируемую на НКУ, на НКА и на ГС;
• многоканальную аппаратуру передачи, приема и обработки сигналов;
• аппаратуру поиска сигналов, излучаемых ГС, НКА и НКУ, по задержке и по частоте;
• бортовую аппаратуру совмещенных командно-измерительных систем (аппаратура обмена данными и измерения взаимных дальностей и скоростей между НКА, часть аппаратуры, необходимой для определения радиальной скорости и дальности по радиолиниям «ГС - НКА "Глонасс"»);
• бортовую ЭВМ;
• источники питания бортовой аппаратуры.
Модернизированный НКУ должен включать в себя уже существующий, но с дополнительной установкой радиотехнической и радионавигационной аппаратуры, технических средств, информационных и корректирующих связей, обеспечивающих постоянный информационный обмен, непрерывное наблюдение, высокоточный контроль и управление триадой ГС и модернизированными НКА "Глонасс".
Измерения радиальной скорости НКА "Глонасс" и дальности (псевдодальности) до него могут проводиться ГС с погрешностями порядка 1 см/с и 0.5 м соответственно и точнее (например, при использовании фазовых измерений). Эти параметры вместе с навигационными сигналами НКА "Глонасс", дополненными измеряемыми последними взаимными дальностями и скоростями, передаются в НКУ для статистической обработки с целью расчета параметров орбит НКА, прогнозирования ухода бортовых шкал времени (БШВ) и их коррекции. При этом наличие избыточных измерений, обеспечиваемых трансляцией навигационных сигналов одних и тех же НКА "Глонасс" и измеряемых разными ГС дальностей и радиальных скоростей, позволяют также повысить точность указанных операций и снизить систематические погрешности в навигационных определениях за счет повышения точности эфемеридного и временного обеспечения. Кроме того, установка на НКА "Глонасс" средств межспутникового обмена данными и измерения взаимных дальностей и скоростей позволяет проводить автономную синхронизацию БШВ НКА и автономное уточнение параметров орбиты.
Многоканальная навигационная аппаратура потребителей СРНС "Глонасс", устанавливаемая на каждом ГС, предназначена для определения и уточнения координат ГС по радионавигационным сигналам, принимаемым от НКА "Глонасс" и ГС, а также по дополнительным измерениям радиальной скорости и дальности по радиолиниям «ГС - НКА "Глонасс"».
Установка на каждом ГС аппаратуры, аналогичной функционирующей в НКА "Глонасс", используется для определения псевдодальности при проведении сеансных измерений по радиолиниям "НКА - радиовидимый ГС", "ГС - ГС". Кроме того, эта аппаратура с антеннами, направленными в сторону Земли, дополняет группировку НКА "Глонасс" тремя (а в перспективе шестью) НКА, навигационные сигналы которых могут быть использованы потребителями, с достижением при этом эффекта расширения навигационного поля СРНС. Поясним смысл этого расширения.
Так как Земля с высоты стационарной орбиты видна под углом 17°24, то охват почти полусферы легко достигается при ширине главного лепестка диаграммы направленности (ДН) бортовой антенны примерно 20° с учетом допуска на погрешности ориентации ГС и дрейфа точки "стояния".
При установке на ГС указанных передающих антенн, излучающих навигационные сигналы в сторону Земли, рабочая часть ДН которых (по аналогии с КНА "Глонасс") имеет ширину 2фо = 38° [2], диск Земли "освещается" с избытком до высоты h над поверхностью.
Если рабочую часть указанной ДН представить в виде конусного радиолуча с углом 2фо при вершине, то sin ф0 =(hq + r)/(H + r) [2], где r = 6400 км - радиус Земли; H = 36 000 км - высота орбиты ГС. При фо = 19° hq ~ 7600 км. (Для СРНС "Глонасс" при том же значении угла ф0 величина h достигает примерно 2000 км.)
Таким образом, в пространстве на высотах h < h0 ~ 7600 км формируется дополнительное радионавигационное поле, образованное ГС. Это поле на высотах 2000 < h < 7600 км дискретно в пространстве, поскольку космический объект (КО) в любой точке данного пространства "освещается" радиолучами менее чем от четырех необходимых для оперативного определения координат и вектора скорости НКА. При этом орбита КО может определяться лишь неоперативно на основе обработки результатов приема радионавигационных радиосигналов на "освещенных" участках орбиты. При шести ГС указанное поле становится практически непрерывным. Основные энергетические характеристики радионавигационного поля для потребителя на высотах h < h0 должны обеспечивать мощности навигационного радиосигнала от ГС на выходе стандартной приемной антенны, аналогичные сигналам КНА "Глонасс".
Ретрансляция модернизированной СНРС в НКУ радионавигационных сигналов НКА "Глонасс" и ГС триады на всем периоде их обращения повышает надежность контроля целостности системы за счет обеспечения приема НКУ навигационных сообщений с соответствующей цифровой информацией указанного контроля на участках обращения НКА "Глонасс" и ГС как видимых, так и невидимых (в смысле радиовидимости) из НКУ.
Введение в состав рассматриваемой СРНС подсистемы ГС открывает широкие возможности для создания широкозонных, региональных и локальных дифференциальных подсистем различного назначения с использованием ГС.
Повышение точности контроля и коррекции бортовых шкал времени (БШВ) НКА "Глонасс" с помощью предлагаемой СРНС рассмотрено авторами в [1]. При этом показаны пути решения задач оптимальной коррекции ухода БШВ НКА со снижением погрешности контроля БШВ с 5 до 3 нс, погрешности коррекции ухода БШВ до 1 нс. При обновлении частотно-временных параметров на каждом витке (прогноз БШВ на 12 ч) среднеквадратическое отклонение взаимной синхронизации БШВ любых двух НКА не превышает 10 нс, т. е. погрешность прогноза БШВ на 12 ч составляет в среднем не более 7 нс. Доказана возможность проведения краткосрочного прогноза на интервале времени 0.5 ч с погрешностью 1 нс. Указанные преимущества достигаются на протяжении всего периода обращения НКА.
Аспекты двойного применения синтезированной системы рассмотрены в [3].
Структурно-функциональное комплексирование, примененное в предлагаемой системе, обеспечивает стабилизацию космической группировки "Глонасс", высокоточное эфемеридное и частотно-временное обеспечение НКА, мониторинг радионавигационного поля и контроль целостности системы, радиотелеметрический мониторинг НКА и командно-программное радиоуправление функционированием НКА во все время их функ-
ционирования. Синтезированная система реализуется дополнением космической группировки "Глонасс" тремя (в перспективе шестью) ГС, дополнительной установкой радиотехнической и радионавигационной аппаратуры, технических средств, информационных и корректирующих связей, обеспечивающих решение указанных задач. К преимуществам предлагаемой системы следует отнести:
• дополнение группировки НКА "Глонасс" тремя радионавигационными точками с неизменными координатами, образованными триадой ГС, что значительно повысит стабильность указанной группировки и откроет возможности для создания широкозонных, региональных и локальных дифференциальных подсистем различного назначения на территории России;
• повышение надежности контроля целостности системы за счет приема НКУ навигационного сообщения с соответствующей цифровой информацией указанного контроля на участках полета НКА, радионевидимых из НКУ;
• снижение погрешностей в навигационных определениях за счет повышения точности эфемеридного и временного обеспечения;
• возможность проведения автономной синхронизации БШВ НКА и автономного уточнения параметров орбиты с помощью средств межспутникового обмена данными и измерения взаимных дальностей и радиальных скоростей;
• расширение высоты радионавигационного поля СРНС с 2000 до 7600 км.
Реализация предложенного структурно-функционального комплексирования, примененного в синтезированной системе с широкой сетью подсистем дифференциальных поправок, корректирующих на борту воздушного судна результаты измерений, полученных от спутников, позволит использовать возможности существующих спутниковых технологий и модернизированной СРНС "Глонасс" для обеспечения требований ICAO по созданию глобальной спутниковой навигационной системы.
Список литературы
1. Бейнарович В. В., Морковкин В. А., Нечаенко А. Г. Повышение точности коррекции бортовой шкалы времени спутниковых радионавигационных систем, управляемых с ограниченной территории // Радиотехника. 2009. № 4. С. 23-28.
2. Соловьев Ю. А. Спутниковая навигация и ее приложение: М.: Эко-Трендз. 2003. 326 с.
3. Бейнарович В. В. Глобальная многофункциональная космическая система испытаний и управления // Ракетно-космическая техника. 1990. Сер. 6, № 6. С. 28-51.
V. V. Beinarovich
Rostov branch of Moscow state technical university of civil aviation V. A. Morkovkin, А. G. Nechaenko
Rostov academy of service of the South-Russian state university of economics and service
Structure-fictional method of complexing improving of directed airlift
The problem of increasing the accuracy of global navigation satellite system for flight control of aircraft is considered. The studies and their metrological support shown increasing effectiveness of structural and functional aggregation for decision tasks of CNS/ATM concept of International civil aviation organization and can form a promising scientific and practical approach to improving the Russian satellite navigation systems.
GPS, satellite, radio navigation
Статья поступила в редакцию 2 марта 2010 г.
