Разработка системы передачи аэронавигационных данных посредством системы спутниковой связи "Гонец" с борта воздушного судна в центр управления воздушным движением

1.4 Спутниковые системы навигации

Глобальная навигационная спутниковая система (ГНСС) - это система, предназначенная для определения навигационных характеристик наземных, водных и воздушных объектов.

В состав ГНСС входят:

· Группировка орбитальных аппаратов на геоцентрической орбите земли;

· Наземная система управления и контроля;

· Система наземных станций дифференциальной коррекции и мониторинга сигнала.

Принцип работы спутниковых систем навигации основан на измерении расстояния от антенны на объекте (координаты которого необходимо получить) до спутников, положение которых известно с большой точностью. Таблица положений всех спутников называется альманахом, которым должен располагать любой спутниковый приёмник до начала измерений. Обычно приёмник сохраняет альманах в памяти со времени последнего выключения и если он не устарел - мгновенно использует его. Каждый спутник передаёт в своём сигнале весь альманах. Таким образом, зная расстояния до нескольких спутников системы, с помощью обычных геометрических построений, либо решая систему уравнений на основе альманаха, можно вычислить положение объекта в пространстве.

(xi ? xВС)2 + (yi ? yВС)2 + (zi ? zВС)2 = ri2

где xВС, yВС, zВС - координаты ВС; xi, yi, zi - координаты i-го ИСЗ, i = 1, 2, 3…; ri - расстояние между ВС и i-м ИСЗ, измеренное бортовыми системами навигации. Решая систему из трех уравнений с тремя неизвестными координатами, определяем местоположение ВС в текущий момент времени. Точность результата зависит от достоверности знания координат трех ИСЗ, от метода определения расстояний до них, от синхронности часов участников процесса, а также от расположения спутников в пространстве.

Метод измерения расстояния от спутника до антенны приёмника основан на том, что скорость распространения радиоволн предполагается известной (на самом деле этот вопрос крайне сложный, на скорость влияет множество слабопредсказуемых факторов, таких как характеристики ионосферного слоя и пр.). Для осуществления возможности измерения времени распространяемого радиосигнала каждый спутник навигационной системы излучает сигналы точного времени, используя точно синхронизированные с системным временем атомные часы. При работе спутникового приёмника его часы синхронизируются с системным временем, и при дальнейшем приёме сигналов вычисляется задержка между временем излучения, содержащимся в самом сигнале, и временем приёма сигнала. Располагая этой информацией, навигационный приёмник вычисляет координаты антенны. Все остальные параметры движения (скорость, курс, пройденное расстояние) вычисляются на основе измерения времени, которое объект затратил на перемещение между двумя или более точками с определёнными координатами.

ГЛОНАСС - российская ГНСС. Система ГЛОНАСС состоит из группировки спутников движущихся в трех орбитальных плоскостях на средневысотной круговой орбите на высоте 19 400 км с наклонением 64,8° и периодом 11 часов 15 минут (рис. 2). В каждой орбитальной плоскости вращаются 8 рабочих спутников - на каждые 45°. Таким образом, одновременно в работе системы должно находиться 24 спутника. Мощность передатчика составляет 316-500 ватт. Для корректного определения координат, желательно чтобы приемник принимал сигнал как минимум от четырёх спутников.

Рис. 2. Орбитальная группировка спутников ГЛОНАСС

(Далее курсивным шрифтом представлена информация с интернет-портала https://www.glonass-iac.ru. Информация предоставлена в соответствии с Правилами использования информации, разработанными Федеральным государственным унитарным предприятием "Центральный научно-исследовательский институт машиностроения").

· Космический комплекс системы ГЛОНАСС, состоящий из орбитальной группировки, средств выведения, наземного комплекса управления;

· Функциональные дополнения, включая широкозонную систему функционального дополнения ГНСС - систему дифференциальных коррекций и мониторинга, а также региональные и локальные системы мониторинга и дифференциальной навигации;

· Система высокоточной апостериорной эфемеридно-временной информации;

· Средства фундаментального обеспечения ГЛОНАСС - системы оперативного определения параметров вращения и ориентации Земли, системы формирования государственной шкалы всемирного скоординированного времени, геодезической основы РФ;

· Навигационная аппаратура потребителей.

Сигнал стандартной точности с тактовой частотой 0,511 МГц, предназначенный для использования отечественными и зарубежными гражданскими потребителями, доступен для всех потребителей, оснащенных соответствующей АП, в зоне видимости которых находятся спутники системы ГЛОНАСС.

Для космических аппаратов, которые находятся в диаметрально противоположных точках орбиты, используются одинаковые литерные частоты, по 12 в каждом диапазоне частот.

Выведенный на орбиту в 2011 году для лётных испытаний космический аппарат модификации "Глонасс-К" 1-го этапа наряду с радиосигналами L1 и L2 с частотным разделением, полностью аналогичным сигналам "Глонасс-М", дополнительно излучает в диапазоне L3 радиосигналы открытого доступа с кодовым разделением. Модернизированные аппараты "Глонасс-М" № 55-61 также излучают навигационный радиосигнал с кодовым разделением в диапазоне L3.

Передаваемые каждым космическим аппаратом системы ГЛОНАСС в составе оперативной информации эфемериды описывают положение фазового центра передающей антенны данного КА в связанной с Землей геоцентрической системе координат ПЗ-90, определяемой следующим образом:

· начало координат расположено в центре масс Земли;

· ось Z направлена в Условный полюс Земли, как определено в рекомендации Международной службы вращения Земли (IERS);

· ось X направлена по линии пересечения плоскости экватора Земли и начального меридиана, установленного Международным бюро времени (BIH);

· ось Y дополняет геоцентрическую прямоугольную систему координат до правой.

Опорной шкалой времени для системы ГЛОНАСС является национальная координированная шкала времени России UTC(SU). Расхождение между шкалой системного времени ГЛОНАСС и UTC(SU) не должна превышать 1 мс.

Шкала системного времени ГЛОНАСС корректируется одновременно с плановой коррекцией на целое число секунд шкалы координированного всемирного времени UTC.

Параметры интерфейса взаимодействия между подсистемой космических аппаратов системы ГЛОНАСС и навигационной аппаратурой потребителей определяются интерфейсным контрольным документом ГЛОНАСС. Документ создан и поддерживается специалистами "Российских космических систем" [20].

Через определённые промежутки времени абонентское устройство получает навигационные сообщения. Навигационное сообщение состоит из двух частей: оперативной и неоперативной информации. Оперативная информация - это информация, относящаяся к аппарату, с которого передаётся сообщение, а неоперативная - это информация о состоянии группировки спутников. Оперативная информация включает в себя системное время космического аппарата, разницу времени аппарата относительно времени системы ГЛОНАСС, отличие несущей частоты сигнала от номинальной, эфемериды космического аппарата и т.п. Неоперативная информация включает в себя альманах и другие общие параметры системы.

Определение координат потребителя происходит посредством решения навигационной задачи с использованием исходных данных полученных потребителем в навигационном сообщении от не менее чем четырёх спутников.

1.6 GPS (Global Positioning System - система глобального позиционирования)

GPS - глобальная навигационная спутниковая система, обеспечивающая определение координат во всемирной системе координат WGS 84, скорости, расстояния и времени. Данная система создана Министерством обороны США.

Система GPS состоит из группировки спутников движущихся в шести орбитальных плоскостях на средневысотной круговой орбите на высоте 20 200 км с наклонением 55° и периодом обращения 11 часов 58 минут, что является кратным земным суткам. Это значит, что за одни земные сутки космический аппарат делает ровно два оборота вокруг земли по своей орбите. В каждой орбитальной плоскости вращаются 4 рабочих спутника - на каждые 90°. Таким образом, для корректного функционирования системы одновременно в работе должны находиться как минимум 24 спутника.

· созвездие ИСЗ (космический сегмент);

· сеть наземных станций слежения и управления (сегмент управления);

· собственно GPS-приемники (аппаратура потребителей).

Спутники GPS излучают сигналы радионавигации по нескольким каналам частот. Сигналы, каждого из нескольких каналов подвергаются своего рода кодированию посредством фазовых манипуляций по случайным алгоритмам. Это позволяет обеспечить разделение сигналов на общедоступные, то есть доступные всем абонентским устройствам пользователей системы, и специальные, предназначенные только для авторизованных специальных пользователей, обладающих механизмом декодирования преобразованного сигнала.

Сигналы, излучаемые аппаратами GPS модулируются дальномерным кодом С/А (Coarse/Acquisition) частотой 1,023 МГц. Данный код содержит последовательность из 1 023 символов.

Навигационное сообщение аппаратов системы GPS имеет структуру идентичную навигационным сообщениям ГЛОНАСС, в которых содержится оперативная и неоперативная информация.

В качестве поверхности для координатной сетки в системе GPS используется Всемирная геодезическая система WGS-84.

Преимуществами системы GPS являются её надежность, более высокая точность по сравнению с ГЛОНАСС. Не секрет, что из-за отсутствия резервных (дублирующих) спутников, в системе ГЛОНАСС периодически возникают такие ситуации, когда на орбите в рабочем режиме находятся менее 24 спутников (например, во время профилактических работ), в результате местоположение может определяться некорректно. Из-за высоких требований к надёжности, это является критичным при использовании системы для управления воздушным движением. В системе GPS такие перебои случаются гораздо реже, так как число дублирующих спутников очень велико. Например, на 2017 год доля дублирующих спутников в системе достигала 35 % от общего числа космических аппаратов. Также одним из преимуществ может являться широкий выбор абонентских устройств различных производителей, из-за большого распространения в мире этой технологии.

Вся информация об окружающей воздушной обстановке полученная системами АЗН-В бесплатно и открыто передается в установленном виде всем участникам воздушного движения, в том числе диспетчерским и другим наземным службам и организациям. В последнее время данная система бурно развивается, и стала настолько популярной, что в сети интернет теперь можно в режиме онлайн отслеживать движения практически любых воздушных судов (рис. 3).

Воздушные суда оснащенные радиоответчиками (транспондерами) передают всем запрашивающим информацию о своем характеристиках движения судна. Это обеспечивает наиболее полноценное функционирование системы, позволяя осуществлять мониторинг воздушных пространств недоступных для наземных систем управления воздушным движением [8].

Воздушные суда, осуществляющие движение в воздушном пространстве, постоянно получают импульсы-запросы от наземных станций управления воздушным движением. После этого воздушное судно отправляет импульс-подтверждение в виде фазово-импульсно модулированного сигнала с частотой 1090 МГц. Помимо этого, ВС самостоятельно в автоматическом режиме периодически осуществляют передачу информационных сообщений о состоянии и координатах своего ВС. Другие ВС оборудованные системами автоматического зависимого наблюдения-вещания в радиусе приёма соответствующего передатчика получают данные сообщения. Наземные станции систематизируют полученные сообщения и ретранслируют их для других участников воздушного движения [3].

Рис. 3. Карта с сайта https://www.flightradar24.com [13]

АЗН-В-приёмники (ADS-B IN) - предназначены только для приёма сообщений, но не для передачи;

АЗН-В-передатчики (ADS-B OUT) - предназначены только для передачи сообщений, но не для приёма (в основном предназначены для наземных станций);

АЗН-В-приёмопередатчики (ADS-B) - предназначены и для приёма, и для передачи сообщений;

Traffic Information Services-Broadcast (TIS-B) - устройства, предназначенные для получения сведений о воздушной обстановке для судов не оборудованных системами АЗН-В;

Flight Information Services-Broadcast (FIS-B) - компонент АЗН-В технологии, который обеспечивает распространение в эфире бесплатной информации о погоде, временным ограничениям на полёты и специальной информации о воздушной обстановке.

1.8 Проблемы, связанные с повсеместным внедрением АЗН-В

В последнее время, в целях повышения безопасности и функциональности авиационного транспорта, всё чаще используются автоматизированные системы организации авиационного движения. В настоящее время большинство самолётов гражданской авиации оснащены системой автоматического зависимого наблюдения-вещания (АЗН-В) [9].

Несмотря на наличие огромного количества преимуществ последних поколений данных систем, у них имеются значительные недостатки. Например, в 2016 году специалисты Федерального управления гражданской авиации США провели исследования и сообщили о возможном "засорении" эфира на частоте 1090 мегагерц, которое может произойти после массового перехода авиакомпаний на использование автоматического зависимого наблюдения-вещания. В будущем большое количество передатчиков системы на самолетах в относительно небольшом пространстве смогут создавать помехи друг для друга, существенно снижая точность сопровождения. Согласно прогнозу управления, в случае "забитого" эфира на частоте вещания АЗН-В у самолетов могут возникнуть трудности с отправкой на наземные контрольные станции данных о своих параметрах полета и приеме такой информации о других летательных аппаратах. В худших случаях данные на протяжении некоторого времени не будут отправляться и приниматься вообще. В результате самолеты на короткое время будут становиться "невидимыми" для других летательных аппаратов в воздухе.

Поэтому для решения проблемы необходимо принятие мер для снижения нагрузки на радиоэфир. Такими мерами могут быть:

1. Выделение дополнительных частот вещания для АЗН-В-транспондеров;

2. Внедрение систем, не перегружающих радиоэфир;

3. Комплексные решения для разделения потоков вещания.

Одним из вариантов новой системы отправки сообщений с информацией о воздушном судне может стать передача аэронавигационных данных посредством спутниковой системы связи "Гонец", принципы построения которой рассматриваются в данной работе.

Глава 2. Системы спутниковой связи

В данной главе рассматриваются системы спутниковой радиосвязи, их особенности, структура, достоинства и недостатки; изучается возможность их использования для осуществления отправки навигационной информации с борта воздушного судна в центр управления воздушным движением.

В последнее время широкое распространение получили различные системы спутниковой связи. Принцип построения спутниковой связи идентичен принципу радиорелейной связи, с той лишь разницей, что станции-ретрансляторы расположены не на поверхности, а на орбите Земли. Для передачи сообщений между спутниками-ретрансляторами сигнал модулируется несущей частотой, усиливается и передается абоненту по цепочке ретрансляторов. После чего данный сигнал демодулируется абонентским устройством.

Спутники-ретрансляторы бывают двух видов:

Нерегенеративный спутник - получает радиосигнал от наземной станции, без внесения в него изменений и поправок переносит его на другую частоту и ретранслирует нужному получателю.

Регенеративный спутник - производит демодуляцию полученного сигнала, исправление ошибок в сигнале, снова модулирует его и передаёт получателю [4].

Первый тип спутников имеет более простое устройство, низкое энергопотребление и высокую надёжность. Но при этом страдает качество передачи сигнала, увеличивается количество ошибок и растёт потеря пакетов. Второй тип спутников позволяет добиться более высокого качества передачи, но потребляет больше энергии и более сложен, и дорог в производстве и эксплуатации.

Наиболее удобной и популярной орбитой для спутников-ретрансляторов, является геостационарная орбита. Угловая скорость космических аппаратов на этой орбите совпадает с угловой скоростью вращения земли. Таким образом достигается неподвижность спутника относительно наземных станций, что позволяет упростить конструкцию наземной станции, исключив необходимость создания подвижных антенн для слежения за спутником. Но существенными недостатками этой орбиты является высокая цена вывода спутника на данную орбиту, высокое потребление передатчика КА и невозможность обслуживания приполярных областей [10]. К тому же в настоящее время мест на геостационарной орбите практически не осталось, так как предприимчивые организации и предприниматели давно зарезервировали все возможные места на этой орбите, и теперь продают их за большие деньги.

Не менее популярной является наклонная орбита, но из-за перемещения КА относительно наземной станции необходимо запускать несколько спутников на такую орбиту, чтобы обеспечить круглосуточный доступ к связи. Также для наземных станций необходимо использовать следящие устройства, осуществляющие наведение антенны на КА для передачи на него сигнала.

Предельным случаем наклонной орбиты является полярная орбита, она предназначена в основном для обслуживания приполярных областей.

Рис. 4. Орбиты: 1 ? геостационарная, 2 ? наклонная 3 ? полярная (масштаб не соблюдён)

L-диапазон - до 1,5 ГГц;

S-диапазон - от 1,5 ГГц до 2,5 ГГц;

C-диапазон - от 2,5 ГГц до 4-6 ГГц;

X-диапазон - от 8 ГГц до 12 ГГц;

Ku-диапазон - 11, 12, 14 ГГц;

K-диапазон - 20 ГГц;

Ka-диапазон - 30 ГГц.

Для мобильной подвижной связи чаще всего применяются диапазоны L и S. Для стационарных и вещательных систем - C, X, Ku, K, Ka - диапазоны. Для межспутниковой связи - диапазон Ka.

Из-за относительно низкой мощности спутниковых передатчиков и больших расстояний, спутниковый сигнал испытывает значительное влияние шумовых помех [6]. В связи с этим ССС не подходит для передачи аналоговых сигналов. Поэтому для корректной работы в системах спутниковой связи применяется дискретизация и модуляция аналоговых сигналов.

Существует огромное множество способов модуляции дискретного (манипуляция) или аналогового сигнала. Чаще всего разработчики систем связи стараются применять такие виды модуляции, при которых возможны достижение наибольшей плотности информации на единицу времени и минимизация помех. В ССС чаще всего применяются фазовая, или квадратурная амплитудная модуляция [7].

В настоящий момент в разных странах существует множество операторов спутниковой связи.

Рис. 5. Расположение геостационарных спутников Intelsat

Inmarsat - система высокоорбитальной геостационарной спутниковой связи. Обладает группировкой из 11 геостационарных спутников с небольшими отклонениями (до 3°) от экваториальной орбиты. Система Inmarsat использует диапазон частот порядка 1,5/1,7 ГГц [7]. Inmarsat предоставляет услуги телефонной связи, передачу пакетных данных, факсимильную связь и обмен данными между компьютерами. Некоторые спутники Inmarsat обладают возможностью фокусировать луч на определённом участке территории, обеспечивая разделение абонентов по частоте [5].

Eutelsat - европейский оператор спутниковой связи, занимает первое место в мире среди спутниковых операторов по величине оборота средств. На 2018 год компания располагает группировкой из 39 геостационарных спутников, покрывающих две трети земного шара, от восточного побережья Северной и Южной Америки до тихоокеанского побережья Азии. Данная компания предоставляет услуги телерадиовещания, широкополосной связи и обслуживания морских судов.