Роль спутниковых систем в современной навигации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Роль спутниковых систем в современной навигации



СНС обладают рядом преимуществ перед традиционными радиотехническими системами (РТС) навигации:

· высокая точность определения координат;

· большая высота полета спутников позволяет создать глобальную, то есть охватывающую весь земной шар, зону действия при использовании достаточно простых антенных устройств, как на спутнике, так и на ВС;

· нахождение спутника в пределах прямой видимости в любой точке зоны действия его радиотехнических средств позволяет использовать наиболее помехоустойчивые диапазоны радиоволн и передавать сигналы с наименьшими искажениями;

· обеспечивается практически неограниченная пропускная способность СНС;

· обеспечивается относительная простота и дешевизна бортового оборудования СНС на ВС, обусловленная отсутствием передатчика и современными технологиями обработки сигналов;

· возможно при дальнейшем развитии СНС комплексное использование спутниковых систем для решения задач навигации, связи и наблюдения.

· Отмеченные достоинства СНС позволяют, при их внедрении, существенно облегчить решение ряда задач по обеспечению воздушного движения. Наиболее важными из них являются: повышение уровня безопасности полетов;

· повышение точности навигации, особенно в районах со слаборазвитой структурой наземного оборудования навигационных РТС и над водными пространствами;

· уменьшение интервалов эшелонирования ВС и увеличение пропускной способности воздушного пространства;

· спрямление воздушных трасс.

Внедрение в практику гражданской авиации спутниковых навигационных систем явилось поистине революционным событием. В десятки и сотни раз повысилась точность определения координат, определить местоположение ВС стало возможным в любой точке земного шара, появилась возможность использовать новые методы навигации.

Но роль СНС в мировой авиации гораздо больше, чем роль просто еще одного из видов РТС, пусть даже и очень точного. СНС являются составной и очень важной частью разрабатываемой и внедряемой ИКАО в глобальном масштабе системы связи, навигации, наблюдения и организации воздушного движения - CNS/ATM (Communication, Navigation and Surveillance /Air Traffic Management). По масштабу производимых изменений переход к системам CNS/ATM является самой крупной программой, которую когда-либо приходилось решать авиационному сообществу.

Буква N в аббревиатуре CNS/ATM означает навигацию, причем зональную навигацию, основанную на применении СНС. С точки зрения ИКАО совершенствование навигации заключается в постепенном внедрении зональной навигации на основе комбинированного использования глобальной навигационной спутниковой системы, автономных инерциальных систем и обычных наземных навигационных средств.

Под глобальной навигационной спутниковой системой GNSS (Global Navigation Satellite System) понимается глобальная система определения местоположения и времени, включающая в себя одно или несколько созвездий спутников (сейчас это GPS и ГЛОНАСС, а в перспективе и Galileo), бортовые приемники и систему контроля целостности, а при необходимости и функциональные дополнения для выполнения требований к планируемым полетам.

CNSS обеспечит навигационное обслуживание во всех регионах земного шара, включая океанические районы, маршруты и районы аэродромов, и на всех этапах полета, включая заход на посадку вплоть до III категории. ИКАО считает, что внедрение GNSS в принципе позволит государствам полностью или частично ликвидировать существующую систему наземных навигационных средств (радиомаяков, систем посадки). Правда, к отказу от традиционных средств ИКАО призывает относиться осторожно.

Преимущества использования GNSS в рамках CNS/ATM обусловлены тем, что она обеспечивает:

· высокоцелостное, высоконадежное, всепогодное навигационное обслуживание на глобальной основе;

· повышенную точность определения местоположения при четырехмерной навигации;

· возможную экономию средств за счет снятия с эксплуатации обычных наземных навигационных средств;

· более эффективное использование аэропортов и ВПП;

· обеспечение улучшенных возможностей захода на посадку;

· возможность сокращения нагрузки на пилота;

· возможность уменьшения воздействия на окружающую среду за счет выбора гибких маршрутов.

В настоящее время требования к качеству навигации предъявляются на основе концепции PBN (Performance Based Navigation - навигации, основанной на характеристиках). В рамках этой концепции рассматривается применение различных навигационных средств, но в качестве основного - именно СНС, поскольку только они способны обеспечить высокие требования к точности, предъявляемые на некоторых этапах полета.

Но роль СНС в системе CNS/ATM заключена не только в букве N, но и частично в букве S. В сочетании с системами передачи данных “воздух-земля” СНС позволяет осуществлять автоматическое зависимое наблюдение в любом районе воздушного пространства. Автоматическое зависимое наблюдение ADS (Automadic Dependent Surveilence) - это метод наблюдения, в соответствии с которым воздушные суда автоматически предоставляют по линии передачи данных информацию, полученную от бортовых навигационных систем и систем определения местоположения, включая опознавательный индекс воздушного судна, данные о его местоположении в четырех измерениях и, при необходимости, другие данные. Это означает, что информация, полученная на борту ВС с помощью СНС, будет автоматически передаваться на землю. Таким образом, диспетчер непрерывно будет иметь информацию о точном местоположении каждого ВС.

В ближайшей перспективе будут одновременно работать три глобальных навигационных спутниковых системы: GPS, ГЛОНАСС и GALILEO. спутниковый навигационный бортовой координата

В настоящее время используются в практической деятельности гражданской авиации используются только GPS и ГЛОНАСС. Поскольку принципы работы обеих систем одинаковы, то на их примере далее и рассмотрим работу СНС.

Псевдодальномерный способ определения координат

Как в GPS, так и в ГЛОНАСС для определения места самолета (МС) используется псевдодальномерный способ определения координат. Прежде, чем более подробно рассматривать функционирование СНС, рассмотрим, в чем заключается псевдодальномерный способ и чем он отличается от обычного дальномерного способа. Для этого воспользуемся уже известными понятиями обобщенного метода линий положения и его геометрической интерпретацией.

Для определения МС обычным дальномерным способом (например, по двум радиомаякам DME) необходимо измерить дальности до двух радиомаяков и построить линии положения (линии равных расстояний) для этих двух навигационных параметров в виде окружностей на карте. Точка пересечения линий положения и будет являться МС.

В СНС роль радиомаяков играют спутники. Но с помощью СНС определяется не МС (точка на земной поверхности), а пространственное место самолета (ПМС). Для его определения необходимо измерить уже не два, а три навигационных параметра - дальности D1, D2 и D3 до трех спутников.

Измеренная дальность до каждого спутника определяет поверхность положения в виде сферы с радиусом, равным измеренной дальности (рис. 1).

Дальности D1 и D2 до двух спутников определяют две поверхности положения, которые пересекаются друг с другом по окружности. Поверхность положения, полученная с помощью третьего спутника в виде сферы с радиусом D3 , пересекает эту окружность в двух точках М1 и М2. В одной из этих двух точек и находится ВС, поскольку только в этих точках дальности до всех трех спутников совпадают с измеренными значениями этих дальностей. То, что точек оказывается две, не доставляет на практике особых проблем. Методом логического исключения легко определить, какая из двух точек соответствует местоположению приемника СНС. Например, если одна из точек оказалась слишком высоко над Землей, или имеет слишком большую скорость перемещения, или слишком удалена от счисленного места самолета, то она не может быть фактическим ПМС. В компьютеры бортовой аппаратуры заложено несколько алгоритмов, позволяющих отличить правильное местоположение от ложного.

Таким образом, для определения пространственного места самолета необходимо измерить дальности до трех спутников. Но каким образом измеряется дальность? В обычных дальномерных РНС самолетный дальномер излучает импульс, который принимается наземным радиомаяком и переизлучается обратно. Дальность определяется по времени прохождения радиосигнала от ВС до радиомаяка и обратно, поскольку скорость распространения радиоволн известна. Такой способ измерения дальности может быть в принципе применен и в СНС. На нем действительно были основаны проекты некоторых спутниковых систем. Но у этого способа есть как минимум два недостатка.

Рис. 1 Определение пространственного места самолета по трем поверхностям положения

Во-первых, спутники находятся от потребителей очень далеко. Чтобы сигнал дошел до спутника, бортовой приемопередатчик должен иметь достаточно большую мощность излучения, то есть быть достаточно большим и тяжелым, иметь соответствующую передающую антенну. Это не очень удачный вариант для бортового оборудования СНС, не говоря уже о карманных спутниковых системах.

Во-вторых, при таком принципе измерения дальности спутник должен «отвечать» на каждый поступивший радиосигнал. Но спутников в системе два-три десятка, а пользователей СНС - миллионы. От спутников потребовалась бы колоссальная пропускная способность, чтобы ответить на миллиарды ежесекундно поступающих запросов.

По этой причине GPS и ГЛОНАСС основаны на другом принципе. Бортовые приемники ничего не излучают, а только принимают сигналы со спутников. А чтобы узнать, сколько времени шел сигнал от спутника до самолета, нужно просто точно знать, в какой именно момент сигнал был излучен. Сравнив моменты излучения и приема сигнала, можно определить время его прохождения, а, следовательно, и дальность до спутника:

D = c t,

где: c - скорость распространения радиосигнала (примерно равна скорости света 300000 км/с);

t - время прохождения радиосигнала.

Для дальностей порядка D = 21000 км и скорости c = 300000 км/сек время прохождения сигнала составит около t = 0,07 сек. Поэтому в аппаратуре потребителя должно быть обеспечено высокоточное измерение весьма малых промежутков времени.

Чтобы реализовать такой принцип измерения дальности, необходимо, чтобы спутник передавал сигналы по точно определенному графику, который известен и на борту. Но еще необходимо, чтобы часы, по которым отслеживается график передачи сигналов, ходили совершенно одинаково как на спутнике, так и в приемнике.

Конечно, современная техника способна создать очень точные атомные часы с нестабильностью хода порядка 10-14. Это означает, что у таких часов погрешность в одну секунду накопится лишь за 1014 секунд, то есть более чем за три миллиона лет. Но такие часы громоздки, тяжелы и дороги. Поэтому очень точные часы устанавливают только на спутниках. А в бортовых приемниках используют часы с точностью в несколько тысяч раз хуже.

По этой причине в любом случае часы на спутнике и в приемнике идут неодинаково. И тогда, если между шкалами времени спутниковых и бортовых часов есть сдвиг Дt , то измеренное время прохождения сигнала будет определено с погрешностью на эту величину. Соответственно и погрешность определения дальности до спутника составит

ДD = c Д t .



Измеренная таким образом дальность, включающая в себя погрешность за счет хода часов, называется псевдодальностью.

Каким образом эта погрешность повлияет на определение места самолета? Для наглядности рисунков рассмотрим определение МС в двумерном случае, то есть на плоскости. Полученные выводы можно легко распространить и на пространственный случай.

Для определения МС на земной поверхности (или на плоскости) необходимо измерить дальности до двух спутников и построить две линии положения.. Если бы дальности были измерены абсолютно точно, то линии положения (ЛП) пересеклись бы точно в МС (сплошные линии ЛП1 и ЛП2 на рис. 2). Но из-за наличия погрешности ДD фактически будут построены другие линии положения, соответствующие неточным дальностям (показаны пунктиром) и полученное место самолета не будет совпадать с фактическим.

Рис.2 Псевдодальномерный способ определения координат

Идея псевдодальномерного способа заключается в использовании дополнительно еще одного спутника. На плоскости этот спутник будет третьим, а в пространстве - четвертым.

Если бы дальности измерялись абсолютно точно, то в дополнительном спутнике не было бы никакой необходимости. Измеренная с его помощью линия положения прошла бы через то же самое МС. Но из-за наличия ДD картина получится совсем иной. Три линии положения (обозначены пунктиром на рис.2) не пересекутся в одной точке и где находится МС останется неизвестным.

Однако, легко понять, что величина ДD одинакова для всех измеренных дальностей. Ведь она вызвана общей причиной - погрешностью часов Дt. Поэтому бортовой приемник может попробовать изменить одновременно все измеренные дальности на одну и ту же величину и делать это до тех пор, пока неточные (пунктирные) линии положения не сойдутся в одной точке. Разумеется, сойдутся они в точке фактического места самолета. При этом величина, на которую пришлось изменить дальности, это и есть ДD. А с ее помощью можно определить и погрешность бортовых часов Дt. Таким образом, псевдодальномерным способом могут быть определены не только координаты ВС, но и точное время.

Как следует из изложенного, для определения пространственного места самолета необходимо четыре спутника. Однако, если нужно определить только широту и долготу, а высота уже известна, то можно обойтись тремя спутниками. В этом случае роль недостающей четвертой поверхности положения будет играть сфера с радиусом, равным расстоянию от центра Земли до ВС (до приемника СНС). Расстояние от центра Земли до поверхности общеземного эллипсоида вычисляется компьютером аппаратуры потребителя СНС, а высота полета должна быть введена в компьютер автоматизировано от бортовых систем ВС или вручную.

Общие принципы работы СНС

GPS и ГЛОНАСС представляют собой автономные среднеорбитальные спутниковые системы, позволяющие с высокой точностью определять пространственные координаты подвижных и неподвижных объектов на поверхности Земли и в околоземном пространстве, а также осуществлять точную координацию времени.

Организация работы обеих систем является схожей. И GPS, и ГЛОНАСС состоят из трех основных сегментов:

· подсистемы космических аппаратов, то есть спутников;

· подсистемы контроля и управления, включающей в себя наземные станции;

· навигационной аппаратуры потребителей, включающей в себя бортовые приемники СНС.

В состав подсистемы контроля и управления входят центр управления и сеть станций измерения, управления и контроля. Наземные станции решают следующие основные задачи:

· определение и прогнозирование координат спутников (эфемерид) и параметров их орбит,

· синхронизацию шкал времени каждого спутника с системным временем,

· передачу массива служебной информации на спутники,

· контроль, диагностику состояния и управление работой бортовых систем спутников.

Информация, передаваемая с земли на каждый спутник, включает в себя параметры орбит всех спутников и их состояние (исправность), поправки к шкалам времени и к несущей частоте, а также другие данные. Поскольку из-за гравитационных возмущений элементы орбит непрерывно меняются, передаются не только сами параметры орбиты, но и коэффициенты полиномов, с помощью которых можно рассчитать скорость изменения этих параметров и уточнить элементы орбит на любой момент времени.

В состав навигационного космического аппарата (спутника) входят бортовой навигационный передатчик, хронизатор («часы»), система ориентации и стабилизации, управляющий комплекс, а также другие системы, обеспечивающие функционирование спутника

Рис. 3 Подсистемы СНС

Навигационная аппаратура потребителей состоит из навигационных приемников и вычислительных устройств, предназначенных для обработки навигационных сигналов. Этой аппаратурой выполняются беззапросные измерения псевдодальностей и радиальных скоростей спутников, а также расчеты, необходимые для получения навигационной информации пользователями.

Принципы функционирования СНС сравнительно просты, однако для их реализации используются передовые достижения науки и техники.

Все спутники GPS или ГЛОНАСС являются равноправными в своей системе. Каждый спутник через передающую антенну излучает кодированный сигнал на двух несущих частотах (L1; L2), который может быть принят соответствующим приемником пользователя, находящегося в зоне действия спутника.

Структура излучаемого спутником навигационного радиосигнала достаточно сложна и здесь будет рассмотрена в упрощенном виде. Излучение осуществляется в виде непрерывного синусоидального сигнала с частотой порядка 1,6 ГГц. Полезная информация накладывается на это синусоидальное колебание в цифровом (двоичном) виде путем инверсии (переворота) его фазы на 180° (рис. 4). Таким образом, сигналы, передаваемые спутником, представляют собой вовсе не импульсы, как упрощенно предполагалось выше при рассмотрении псевдодальномерного способа, а непрерывные колебания. Роль «импульсов» играют инверсии фазы этих колебаний. Впрочем, для наглядности изложения далее будем считать, что излучаются действительно импульсы.

Рис. 4 Наложение сигнала путем инверсии фазы

Передаваемая спутником информация включает в себя две составляющие:

· псевдослучайный дальномерный код («отметка дальности»), с помощью которого и измеряется дальность до спутника,

· навигационное сообщение, содержащее необходимую потребителю информацию.

Навигационное сообщение (его структура и состав несколько различаются для GPS и ГЛОНАСС) включает в себя текущие координаты спутника (эфемериды), данные о состоянии (исправности) и элементах орбит всех спутников (так называемый альманах), сдвиги шкал времени спутника от системного времени и системного времени от UTC, отличие излучаемой частоты от номинальной и т.д.

Псевдослучайный дальномерный код представляет собой очень длинную последовательность «импульсов». Эта последовательность выглядит совершенно случайной, но на самом деле формируется по вполне определенному закону. Этот закон и является кодом, без знания которого получить информацию со спутника невозможно. Принцип формирования последовательности импульсов можно объяснить на следующем весьма упрощенном гипотетическом примере.

Пусть имеется шестизначный двоичный регистр, в ячейках которого находятся нули или единицы. (На самом деле регистр длиннее. Например, в GPS он 10-ти или 12-тизначный.) Допустим, что текущие значения 4-й и 6-й ячеек суммируются по модулю 2 (то есть, 0+0=0, 0+1=1, 1+1=0) и результат подается на вход регистра, то есть занимает первую ячейку регистра. При этом все содержимое регистра сдвигается: прежнее содержимое первой ячейки переходит во вторую, из второй в третью и т.д. И этот процесс суммирования и сдвига повторяется бесконечно. А вот текущее содержимое, например, 5-й ячейки назначается в качестве «выхода» регистра, то есть оно и формирует псевдослучайную последовательность, в которой единица соответствует наличию «импульса», а ноль - его отсутствию. Поэтому последовательность импульсов выглядит совершенно беспорядочной, как на рис. 5. Знать код - это значит знать начальное значение регистра и закон, по которому формируются его вход и выход.



Регистр

Последовательность импульсов, излучаемых каждым спутником, является очень длинной, но периодически повторяется.

Коды всех спутников системы известны приемнику бортового оборудования ВС. В нем также генерируется код (последовательность импульсов), идентичный принимаемому со спутника.

Процесс получения информации выглядит следующим образом. Предположим, приемник совершенно новый и в его памяти нет никакой информации о параметрах орбит спутников. При включении приемника он начинает генерировать код, соответствующий первому по списку спутнику, и оценивает совпадение генерируемых «импульсов» с «импульсами» в принимаемом радиосигнале.

Рис.5. Сдвиг псевдослучайных последовательностей

Конечно, последовательности импульсов сразу не совпадут хотя бы уже потому, что они сдвинуты друг относительно друга на величину t, соответствующую времени прохождения сигнала от спутника до приемника. Если они не совпали, то приемник сдвигает по времени на небольшую величину генерируемую последовательность и вновь пытается найти совпадения. Такие сдвиги продолжаются до тех пор, пока последовательности не совпадут. Если же они так и не совпали, то это может просто означать, что спутник находится вне пределов видимости. В этом случае приемник начинает генерировать код следующего спутника, осуществляет его сдвиг, и вся процедура повторяется. Этот процесс может занять несколько минут.

Когда сигнал хотя бы от одного спутника принят, процесс идет быстрее. По величине, на которую пришлось сдвинуть последовательности, чтобы они совпали, определяется псевдодальность. Затем принимается навигационное сообщение, содержащее альманах (параметры орбит всех спутников). По этим параметрам приемник уже может оценить, какие спутники сейчас находятся в пределах видимости, и начинает «ловить» целенаправленно именно их сигналы. После приема сигнала от четырех спутников можно определить пространственное место самолета и другие необходимые параметры.

Полученный альманах сохраняется в памяти приемника. Поэтому, когда приемник включат в следующий раз, он сразу рассчитает, какие спутники могут находиться в поле зрения и будет в первую очередь пытаться получить сигналы именно от них. И уже через несколько секунд навигационная информация будет получена. Если же приемник долго не включали и альманах устарел, либо если приемник в выключенном состоянии перевезли далеко в другое место, то процесс займет уже больше времени.

Стоит обратить внимание на то, каким образом определяется совпадение бортовой и спутниковой последовательностей «импульсов». Дело в том, что мощность излучаемого спутником радиосигнала очень мала и сравнима с мощностью обычной электрической лампочки. Да и все спутники излучают на одной или почти на одной частоте. А ведь они находятся на расстоянии около двадцати тысяч километров от Земли. Поэтому мощность принимаемого со спутника сигнала ничтожно мала и составляет по порядку величины 10-14 Вт. Сигналы настолько слабы, что просто теряются на фоне естественного радиоизлучения Земли, атмосферных помех и теплового шума самого приемника.

Все эти шумы являются случайными вариациями электронных пульсаций. А принимаемый псевдослучайный код - это строго определенная последовательность электронных импульсов. Поскольку псевдослучайная кодовая последовательность периодически повторяется, то с помощью быстродействующего компьютера оказывается возможным выполнять многократное сравнение принимаемых сигналов и выделять псевдослучайный код на фоне естественного радиошума Земли. На рис. 6 схематично изображен принимаемый радиосигнал, в котором, возможно, содержится и кодовая последовательность. Чтобы выделить ее, бортовой приемник непрерывно рассчитывает по сложным математическим алгоритмам степень корреляции (вероятностной взаимосвязи) генерируемой им последовательности и принимаемого сигнала. Когда эта корреляция при очередном сдвиге достигает заданной величины, фиксируется, что сигнал принят.

Рис. 6. Сигнал и шум

В результате приемник СНС может иметь очень маленькую антенну, а в целом аппаратура потребителя сравнительно небольшие габариты, вес и относительно невысокую стоимость. А это, в свою очередь, способствует превращению СНС в систему массового использования.

Одна из важнейших причин применения псевдослучайного кода в СНС - это возможность использования всеми спутниками одной и той же несущей частоты в своих передатчиках. Но так как каждый спутник передает присущий только ему код, приемник легко может отличить сигналы конкретного спутника, и спутники не "забивают" друг друга, работая на одной и той же частоте. Кроме того, применение псевдослучайного кода в СНС позволяет собственнику системы контролировать режим доступа к ней.

Полный алгоритм расчетов, выполняемых приемником СНС, включает в себя:

· вычисление с помощью эфемеридной информации расчетных значений координат каждого из четырех спутников;

· измерение времени ti прохождения сигнала от каждого спутник и соответствующей ему псевдодальности Di;

· вычисление прямоугольных координат ВС x, y,z и погрешности Дt в измерении времени прохождения сигнал, вызванной неточностью часов;

· вычисление геодезических координат: широты B, долготы L и геодезической высоты H воздушного судна;

· вычисление путевой скорости W и фактического истинного путевого угла по информации об измеренных доплеровских сдвигах частот;

· расчет абсолютной высоты ВС с использованием модели гравитационного поля Земли;

· расчет магнитного путевого угла с использованием модели магнитного поля Земли.

Это основные операции, выполняемые вычислителем (компьютером), входящим в состав бортового приемника СНС. Но на самом деле этот вычислитель запрограммирован для выполнения и множества других операций, решения различных навигационных задач.

Погрешности измерения псевдодальностей. Навигационным параметром в СНС является псевдодальность, рассчитываемая по измеренному времени распространения радиоволн и скорости распространения, заложенной в бортовой приемник.

Как известно из физики, скорость радиоволн в вакууме является постоянной и называется скоростью света. Но при прохождении радиоволн через какую-либо среду скорость радиоволн изменяется и зависит от характеристик этой среды. Радиоволны, излучаемые спутниками, проходят через атмосферу, характеристики которой меняются в пространстве и во времени.

Различают ионосферные и тропосферные погрешности.

Ионосфера является верхней частью атмосферы и в ней содержатся свободные электроны. При прохождении радиоволн через ионосферу их траектория искривляется, а скорость радиоволн изменяется. Она уже не совпадает с той скоростью, которая заложена в приемник СНС для расчета псевдодальности. Это вызывает ионосферную погрешность измерения псевдодальности, величина которой различна в разных местах планеты, меняется в зависимости от времени года и суток, подвержена влиянию солнечной активности, космического излучения. Обычно ионосферные погрешности составляю 8-10 м, но могут достигать 40-100 м и более.

Для борьбы с ионосферной погрешностью принимаются следующие меры.

1) Излучение одного и того же кода одновременно на двух частотах. Ионосферная погрешность сильно зависит от частоты, поэтому, принимая один и тот же сигнал одновременно на двух частотах, можно выявить значительную ее часть. Такой способ позволяет уменьшить погрешность до 1-2 м.

2) Рассчитать с помощью математической модели вероятное значение ионосферной погрешности в данном месте и в данное время и учесть его в результатах измерений. Такой метод используется в Navstar GPS. Параметры модели рассчитываются на Земле по результатам наблюдения за всеми спутниками, передаются на каждый спутник и затем, в составе навигационного сообщения, в бортовой приемник ВС. Поскольку любая модель является неточной, то и ионосферная погрешность таким способом устраняется не полностью.

3) Использование дифференциального режима СНС на основе применения функциональных дополнений. Этот способ более подробно будет рассмотрен ниже.

Тропосферные погрешности возникают в нижнем слое атмосферы. От частоты сигнала они не зависят, а зависят от температуры, давления, влажности воздуха. Эти величины трудно прогнозировать, чтобы использовать в математических моделях. Остаточная величина тропосферной погрешности имеет порядок 1-4 м.

Еще одной причиной неточного измерения псевдодальности является многолучевость (многопутность) распространения сигнала. Если вблизи бортового приемника находятся местные предметы (возвышенности, здания и т.п.), то радиосигнал поступает к приемнику не только по прямому пути, но и после переотражения от этих местных предметов. Это вызывает погрешность при полете вблизи земли, например, при заходе на посадку. Это особенно неприятно, поскольку на этом этапе полета как раз требуется более высокая точность.

В хороших условиях погрешность из-за многолучевости составляет единицы метров, а в городских условиях может достигать нескольких десятков метров. Для уменьшения этой погрешности используются различные методы - от применения специальных антенн, до использования сложных алгоритмов обработки сигнала (фильтр Калмана). В результате этих мер погрешность может быть снижена (для кода высокой точности ГЛОНАСС и P(Y) кода GPS) в лучшем случае до 1-3 м, в худшем до 8 м.

Еще одним фактором, приводящим к погрешностям измерения псевдодальности являются шумы самого бортового приемника на ВС.

Функциональные дополнения СНС

Понятие о функциональных дополнениях СНС. СНС являются основным средством выполнения навигации, основанной на характеристиках (PBN), которая в свою очередь является неотъемлемой частью концепции CNS/ATM. К полетам в условиях PBN предъявляются достаточно жесткие требования, которые выражены в виде требуемых точности, целостности, непрерывности и эксплуатационной готовности. Для каждого района или маршрута полета, а также для различных этапов полета (полет по маршруту, вылет, заход на посадку и т.п.) устанавливаются различные спецификации RNAV или RNP, которые количественно определяют эти требования.

Точность характеризуется величиной возможной погрешности, соответствующей Р = 0,95. Целостность характеризует способность системы выдавать пользователю своевременное предупреждение в тех случаях, когда эта система не может обеспечить точность, требуемую в данном регионе или на данном этапе полета. Непрерывность обслуживания характеризует способность СНС обслуживать потребителей в течение заданного интервала времени без отказов и перерывов. Эксплуатационная готовность - это способность СНС обеспечить проведение навигационных определений в заданный момент времени.

Не останавливаясь здесь на подробной характеристике этих понятий (они рассматриваются в дисциплине «Аэронавигационное обеспечение полетов»), отметим лишь самое главное. В условиях PBN недостаточно просто определить место самолета. Необходимо для обеспечения целостности еще получить оценку точности определения текущих координат и, если эта точность не соответствует требуемой точности, установленной для данного этапа и района полета, выдать экипажу предупреждение об этом. Необходимо также уметь прогнозировать на все время предстоящего полета, будет ли непрерывно обеспечена требуемая целостность с учетом конфигурации расположения и исправности спутников, а также требований к точности на разных этапах полета.

Кроме того, требования к точности в условиях PBN иногда (например, при заходе на посадку) могут быть настолько высоки, что обычный режим использования СНС, который описан выше, не обеспечивает требуемой точности. Например, при заходе на посадку требуемая точность определения высоты измеряется дециметрами.

Для решения этих задач могут использоваться системы функциональных дополнений СНС (augmentation systems).

Функциональным дополнением называется комплекс технических и программных средств, предназначенный для обеспечения потребителя глобальной навигационной спутниковой системы дополнительной информацией, позволяющей повысить точность и достоверность определения его пространственных координат, составляющих скорости движения и поправки часов и гарантирующей целостность этой системы.

Существует три вида систем функциональных дополнений:

- бортовые, не требующие для своей работы наземного или космического оборудования,

- наземные, в которых используются расположенные на Земле дифференциальные корректирующие станции,

- спутниковые, в которых кроме наземных станций используются специальные спутники, передающие на борт ВС необходимую информацию.

Бортовые функциональные дополнения ABAS (Aircraft-based augmentation system.) Они представляют собой совокупность алгоритмов работы приемника, обеспечивающих мониторинг целостности (AIM, autonomous integrity monitoring). Существует два вида такого мониторинга - RAIM и AAIM. Оба основаны на использовании избыточной навигационной информации.

RAIM (Reciever Autonomous Integrity Monitoring) - автономный контроль целостности в приемнике. Его целями являются:

- своевременное обнаружение неустойчиво работающего спутника и исключение его из обработки для навигационных определений;

- оценка текущей погрешности определения координат и выдача предупреждения экипажу, если эта погрешность превышает допустимую;

- прогноз целостности, то есть расчет геометрии расположения исправно работающих спутников и точности навигационных определений в любой заданной точке в заданное время с целью предупреждения экипажа о том, что требуемая точность и надежность навигации по СНС в этой точке не будут обеспечены.

Работа RAIM основана на наличии избыточности информации. Если принимаются сигналы только от четырех спутников (это минимальное их количество для определения пространственного места самолета), то местоположение ВС, конечно, будет определено, но в этом случае невозможно ничего сказать о точности его определения. Кроме того, может оказаться, что полученное местоположение совсем не соответствует фактическому местоположению, если, например, один из спутников выдал недостоверную информацию из-за своей неисправности.

Для RAIM необходим как минимум еще один, пятый спутник. Из пяти спутников можно взять пять различных сочетаний по четыре спутника и по каждой из «четверок» определить свое ПМС. Разумеется, полученные ПМС будут различаться друг от друга, они будут рассеяны вокруг фактического ПМС из-за случайных погрешностей. Степень этого рассеяния и позволяет оценить текущую точность определения ПМС. Приемник может выбрать лучшую четверку спутников с учетом геометрического фактора и по ней определить наиболее точные координаты. Могут быть использованы и более сложные алгоритмы осреднения координат, полученных по всем «четверкам» спутников. В этом случае точность будет выше, чем по каждой «четверке» отдельно. Если же принимаются сигналы более чем от пяти спутников, то и точность будет выше.

Если один из спутников выдает недостоверную информацию, то ПМС, полученные с его использованием будут заметно отличаться от остальных. Такой спутник будет «отбракован», то есть не будет использоваться для определения координат. Если после отбраковки осталось всего четыре спутника, то избыточность информации исчезает и RAIM перестает работать, о чем информируется летный экипаж ВС. Воспринимать такую информацию следует так: навигационные расчеты продолжают выполняться, координаты ВС определяются, но они не могут контролироваться и нужно быть очень внимательным. Как правило, при пропадании RAIM должны быть предусмотрены специальные навигационные процедуры.

При недостаточном количестве наблюдаемых спутников процедуры RAIM не обеспечивают полный контроль целостности, но его может обеспечить другой вид функционального дополнения - AAIM (Aircraft Autonomous Integrity Monitoring) - бортовой автономный мониторинг целостности. Он является эквивалентом или альтернативой RAIM. В этом случае избыточная информация поступает в приемник не от спутников, а от бортовых систем. Наиболее часто используется информация о координатах ВС от инерциальных систем или полученная по двум дальномерным радиомаякам (DME/DME). Эта информация используется аналогично тому, как в RAIM, для контроля целостности и повышения точности навигационных определений. Например, инерциальная навигационная система может использоваться в дополнение к СНС в течение коротких периодов времени, когда спутниковые навигационные антенны затеняются частями ВС при выполнении маневров, или в течение периодов времени, когда в поле зрения имеется недостаточное количество спутников.

Часто в бортовой приемник поступает барометрическая высота от системы воздушных сигналов. Она используется не только для определения места самолета при наличии только трех спутников, как было описано выше. При наличии в поле зрения только четырех спутников уровень высоты полета определяет пятую поверхность положения, которая может использоваться для контроля целостности. Информация о высоте также позволяет повысить эффективность алгоритмов математической фильтрации навигационных измерений в целях повышения их точности.

В настоящее время в документах ИКАО и других международных организаций отсутствуют стандарты, предъявляющие требования к алгоритмам ABAS и к уровню целостности, который они должны обеспечить. Поэтому производители бортовых приемников решают эту задачу по своему усмотрению. По некоторым оценкам RAIM и AAIM обеспечивают целостность на уровне 10-4. Но в современной навигации требования к точности и целостности иногда столь высоки (порядка 10-9), что использование СНС в обычном режиме даже при наличии RAIM или AAIM не может их обеспечить. В этом случае используются спутниковые или наземные системы функциональных дополнений, которые основаны на дифференциальном методе определения координат.

Характеристика бортового оборудования СНС

Классификация приемоиндикаторов СНС. В зависимости от назначения приемоиндикаторы (ПИ) СНС можно подразделить на три группы: геодезические, навигационные, бытовые.

Далее рассмотрены ПИ, применяемые только для целей воздушной навигации.

Приемник спутникового навигационного сигнала (ГЛОНАСС/GPS-приемник) - это микросхема или совокупность микросхем с соответствующим программным обеспечением, задача которых принимать и декодировать сигналы СНС и выдавать на выходе координаты объекта в определенном формате. Приемник может работать на борту в качестве

самостоятельного навигационного средства, но может являться одним из датчиков навигационного комплекса, выдавая информацию в его центральный вычислитель (FMS). В этом случае приемник может не иметь собственных органов индикации и управления.

Одной из важных характеристик приемника является количество каналов, то есть количество спутников, от которых одновременно могут приниматься сигналы. Поскольку для определения пространственного места самолета необходимо четыре спутника, то, казалось бы, приемник должен быть минимум четырехканальным. На самом деле выпускаются бытовые даже одноканальные приемники. В этом случае приемник поочередно «опрашивает» спутники. Разумеется, это снижает быстродействие и точность определения координат и скорости.

Для навигации используются приемники с количеством каналов, большим минимально необходимых четырех. Избыточное число каналов необходимо для обеспечения целостности (RAIM) и точности определений. Чем больше спутников используется, тем точнее можно определить координаты. Если же в какой-то момент один из используемых спутников уйдет за горизонт или окажется заслоненным фюзеляжем ВС, то вместо него тут же будет использоваться другой спутник, сигналы от которого уже принимаются. В профессиональных навигационных приемниках считается нормальным использование 12 каналов.

В международной практике, одобренной ИКАО, навигационные приемоиндикаторы сертифицируются в соответствии с принятым в США техническим стандартом ТSO-С129 (TSO - Technical Standard Order). В

соответствии с этим стандартом они делятся на три класса: А, В, С. Знание классов оборудования необходимо для практических целей, так как на картах (схемах) могут быть указаны ограничения по использованию конкретного класса оборудования

Класс А - оборудование, сочетающее в себе навигационный датчик, определяющий трехмерные координаты ВС: широту (B), долготу (L), высоту (H), время (UTC) и вектор путевой скорости (W), а также навигационный вычислитель, решающий навигационные задачи и имеющий ряд сервисных и справочных функций. Это самый распространенный класс оборудования СНС, которое устанавливается на ВС, не имеющих навигационных комплексов последнего поколения. Для обеспечения целостности приемник должен обладать функцией RAIM.

Оборудование класса А делится на подклассы: А1 и А2. Оборудование подкласса А2 одобрено для маршрутного полета и полета в районе аэродрома, а класса А1 - кроме того, и для неточного захода на посадку.

Поскольку оборудование класса А может использоваться для зональной навигации, то к нему применяются такие же требования, как и к аппаратуре зональной навигации.

Класс В - оборудование, состоящее из навигационного датчика и устройства передачи данных (B, L, H, UTC, W) в навигационные комплексы ВС. Таким образом, оборудование класса В является просто одним из датчиков навигационного комплекса (многофункциональной навигационной системы). Вычислитель комплекса использует информацию от СНС наравне с информацией от других навигационных средств для коррекции счисленных координат, повышения точности и надежности навигационных определений. Поскольку навигационные вычислители современных навигационных комплексов более производительны и совершенны, чем вычислители в приемниках типа А, то информация от СНС в навигационных комплексах может обрабатываться по более сложным и эффективным алгоритмам.

Оборудование класса В имеет подклассы: В1, В2, В3, В4. Оборудование подклассов В1 и В3 позволяет выполнять маршрутный полет, полет в районе аэродрома и неточный заход на посадку, а классов В2 и В4 -только полет по маршруту и в районе аэродрома. В оборудовании подклассов В1 и В2 предусмотрен RAIM, а в оборудовании подклассов В3 и В4 - AAIM.

Класс С - оборудование класса С, как и класса В, является датчиком для навигационных комплексов, обеспечивающих автоматический и директорный режим выполнения полета. Его взаимодействие с бортовым комплексом всегда является двусторонним, то есть, не только информация от СНС используется навигационным комплексом, но и информация от других систем комплекса может использоваться в целях поддержки алгоритмов работы оборудования СНС в процессе обработки информации от спутников. Таким образом, оборудование класса С непосредственно “встроено” в комплексные системы пилотажно-навигационного оборудования, является их составной частью. В силу этого и ряда других факторов оборудование класса

С считается более надежным, чем классов А и В. Это оборудование, как правило, не имеет своих органов управления и индикации, а обращение к СНС, управление оборудованием СНС класса С производится через многофункциональные пульты навигационного комплекса (FMS) самолета. Оборудование класса С взаимодействует не только с навигационным оборудованием ВС. Как датчик координат, времени и скорости оно используется в системах предупреждения столкновений (TCAS), системах автоматического зависимого наблюдения (ADS), дисплеях навигационной обстановки, ответчиках режима S и т.п..

Оборудование класса С делится на подклассы: С1, С2, С3, С4. Подклассы С1чС4 соответствуют подклассам В1чВ4.

Для облегчения запоминания можно обратить внимание, что заход на посадку обеспечивают приемники только тех классов, в обозначении которых цифра нечетная (1 или 3). Контроль целостности в приемнике (RAIM) обеспечивает оборудование с «младшими» цифрами (1 и 2), а оборудование с цифрами 3 и 4 обеспечивает его эквивалент (AAIM).

Соблюдение требований TSO C129 является обязательным для бортового оборудования СНС, устанавливаемого на воздушных судах, выполняющих полеты по ППП.

Размещено на Allbest.ru

...