Спутниковые навигационные системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

аппаратура спутниковый навигационный

Введение

1. Требования к навигационному обеспечению морских судов

2. Требования к навигационному обеспечению судов речного флота

3. Требования к навигационному обеспечению наземных объектов

4. Использование СРНС при обеспечении навигации морских и речных судов

5. Помехозащищенность и электромагнитная совместимость СРНС

5.1 Источники помех

5.2 Защита от помех

6. Применение СРНС в гражданской авиации полет по маршруту

Заключение

Список литературы

Введение

Спутниковые навигационные системы (СНС) ГЛОНАСС и GPS со своими наземными и космическими дополнениями все активнее вторгаются в различные сферы человеческой деятельности. Согласно маркетинговым исследованиям Министерства торговли США объем продаж мирового рынка этих систем к 2003 г. превысит 16 млрд. долл.

Системы продемонстрировали высокие точностные характеристики определения координат, скорости и времени воздушных, космических, морских и наземных подвижных средств. Они в состоянии обеспечить существенное повышение безопасности движения транспортных средств, наиболее экономичное решение задач картографии и геодезии, землеустройства, освоения удаленных, слабо изученных территорий и акваторий морей и океанов, обеспечения регулярности функционирования буровых и добывающих платформ на шельфе и в открытом море, горных, строительных и сельскохозяйственных работ, быстрого поиска и спасения терпящих бедствие, точной синхронизации разнесенных в пространстве объектов и др.

Сами СНС или, как их еще называют, спутниковые радионавигационные системы (СРНС), не стоят на месте и относятся к одной из наиболее динамично развивающихся областей радиотехники. Они реализуют новые возможности в обеспечении безопасности страны, на транспорте, в народном хозяйстве, науке и образовании, при организации путешествий, в спорте и туризме.

Аппаратура спутниковых навигационных систем становится все более массовым средством, которое находит применение в различных областях нашей жизни. По прогнозам общий мировой парк потребителей к 2005 году составит около 50 млн. Россия не остается в стороне от этой тенденции, и персональный спутниковый приемник можно купить, например, на Савеловском рынке в Москве. Поэтому выход книги "Спутниковые системы навигации" представляется вполне оправданным и своевременным тем более, что мы являемся свидетелями интенсивного развития и изменения заложенных ранее систем GPS и ГЛОНАСС, появления таких новых систем, как Галилео, широкозонных дополнений WAAS, EGNOS и MSAS, а также региональных и локальных дифференциальных подсистем.

Разработаны сотни новых типов потребительского оборудования различного назначения. В настоящее время контроль больших и малых перемещений с невиданной ранее метровой и даже сантиметровой точностью может осуществляться с помощью спутниковых средств, что подтверждается не только широким применением на транспорте, но и в строительстве, мониторинге подвижек земной коры и протяженных сооружений.

Потребители стали более осознанно подходить к применению своей аппаратуры. Уточнены и сформулированы новые требования к ее точностным и надежностным характеристикам, помехоустойчивости, взаимодействию с другим оборудованием, к стандартизации и сертификации, накоплен опыт создания баз навигационных данных спутниковых приемников. Все эти вопросы, не нашедшие освещения в более ранних публикациях, представлены в настоящем издании. Оригинальные материалы книги обсуждались на научно-технических мероприятиях Российского общественного института навигации и публиковались в периодических изданиях.



1. Требования к навигационному обеспечению морских судов

Требования к навигационным средствам морских судов (МС), которые предъявляются сейчас и к СРНС, вытекают из необходимости обеспечения безопасности и экономичности плавания. Они зависят от районов и этапов судовождения [1,2]: в открытом море (океане); в прибрежной зоне (на удалении менее 50 миль от берега); в узкостях, при входах в порты и гавани; в акваториях портов.

Международные требования к точности и надежности навигационного обеспечения морских судов в зависимости от районов плавания определяются ИМО.

Требования к навигационному обеспечению судоходства при входах в порты, гавани, в узкостях и в акваториях портов определяются соответствующими национальными администрациями.

В табл. 1 приведены обобщенные требования к навигационному обеспечению морских судов [1].

Необходимо отметить, что приведенные требования находятся в состоянии перманентных корректировок и уточнений, в основном, в сторону их повышения. Это объясняется постоянно возрастающей ценой навигационных ошибок, особенно в условиях роста тоннажа танкеров, опасности и стоимости последствий возможных экологических катастроф из-за столкновений с препятствиями и посадками на мель.

Всем памятны катастрофа с танкером "Экссон Валдис" и недавняя катастрофа танкера "Находка", которая помимо загрязнения района катастрофы привела к серьезному напряжению при обеспечении жизни всего региона Камчатки.



Таблица 1. Требования к точности и надежности определения координат морских судов

Решаемые задачи	Точность (СКО), м	Доступность	Целостность*
Плавание в открытом море (океане)	1400...3700	0,99	0,99
Плавание в прибрежной зоне	100...460	0,99...0,997**	0,99
Прохождение узкостей, заходы в порты	<20	0,99...0,997**	0,99
Маневрирование в портах	8	0,997	0,99
Картография и океанография	0,25...5	0,99	0,9...0,99
Геологоразведка, добыча полезных ископаемых	1...5	0,99	0,9...0,99

* Допустимое время предупреждения находится в пределах от единиц секунд до единиц минут в зависимости от задачи и типа МС.

** Значение 0,997 относится к МС большого тоннажа.

Огромный общественный резонанс вызвала и катастрофа пассажирского судна "Адмирал Нахимов", повлекшая за собой смерть сотен людей, которой можно было бы избежать при более совершенном навигационном обеспечении.

Исключительно велика также роль точного местоопределения при проведении народнохозяйственных работ на шельфе, таких, как геологоразведка.

Для обеспечения и экономичности движения МС пока не сформулированы требования к определению скорости и времени. Однако представляется, что качественное решение задачи проводки большегрузных танкеров в узкостях, посадки ВС (вертолета) на палубу МС в условиях сильного волнения и, особенно, шторма может быть осуществлено лишь при получении качественной информации о горизонтальных и вертикальной составляющих скорости МС.

Добавим, что точная корректировка шкалы времени МС также, как и ВС, позволит, в частности, эффективно решать задачи обеспечения надежного опознавания, связи и т.д., а задача буксировки по морю высотных платформ для добычи полезных ископаемых может потребовать и информации о пространственной ориентации объекта с точностью (СКО) до единиц - долей угловых минут.



2. Требования к навигационному обеспечению судов речного флота

Для речных потребителей исходными при определении требований к радионавигационным системам являются основные характеристики внутренних водных путей, а именно: габариты судового хода, его глубина и соотношения главным размерам судов (длина, ширина, осадка).

Требования речных потребителей к доступности РНС зависят от районов плавания и составляют: по Единой глубоководной системе Европейской части России - 0,999; по рекам Сибири - 0,99. Требования речных потребителей к целостности составляют для движения по внутренним водным путям - 0,99.

В табл. 2 и 3 приведены требования речных потребителей к точности определения места судна в зависимости от решаемых задач и районов плавания для крупногабаритных судов (типа Волга-Дон) [2].

Таблица 2. Требования речных потребителей к навигационному обеспечению

Решаемые задачи	Районы плавания	Точность измерения координат, м
Движение судна по	1. Озера, водохранилища	25,0
внутренним водным	2. Свободные реки:
путям	- европейской части России	3,0...5,0
	- Сибири	5,0... 15,0
	- каналы	3,0...5,0

Таблица 3. Обобщенные требования речных потребителей к навигационному обеспечению

Решаемые задачи	Достоверность	Рабочая зона	Точность (СКО), м	Доступность	Целостность
Движение судна по внутренним водным путям	0,99	Региональная: локальная зональная	5 15	0,999 0,99	0,99
Картография	11	»	0,25...0,5 0,5 ...3,0	0,99	0,9
Расстановка знаков судоходной обстановки	И	it	М	0,99	0,9
Изыскательская работа по замеру глубин и определению габаритов внутренних водных путей	м	и	If	0,99	0,9
Диспетчерские задачи по управлению	If	н	100	0,99	0,9



3. Требования к навигационному обеспечению наземных объектов

К наземным объектам относятся автомобильный и железнодорожный транспорт, объекты геологоразведывательных подразделений, топогеодезических и землеустроительных служб [2].

Требования наземных потребителей к точности местоопределения транспортных средств зависят от предназначения тех или иных технологий контроля и управления транспортными процессами. При решении большинства задач, связанных с обеспечением безопасности движения и организации перевозок пассажиров и грузов в процессе хозяйственной деятельности, требования к точности местоопределения транспортных средств с погрешностью не хуже 100 м (предельная погрешность) в настоящее время удовлетворяют потребности автомобильно-дорожной отрасли. При решении специальных задач (слежение за экологически опасными грузами, защита от угона и поиск угнанных средств и т.д.) требования к точности местоопределения являются более высокими - не хуже 5... 15 м (предельная погрешность).

Требования наземных потребителей к размерам рабочей зоны задаются исходя из анализа территориально-пространственных условий реализации задач, использующих информационные технологии:

территория Российской Федерации, территории стран ближнего и дальнего зарубежья - при организации внутрироссийских и межгосударственных перевозок;

глобальная зона - при организации смешанных перевозок, включающих перевозку грузов речным и морским транспортом.

Требования к дискретности (темпу) обновления координатной информации задаются на основании анализа структуры тех или иных технологий:

при контроле и управлении большими группировками (системами) транспортных средств - не более 1 с (по каждому транспортному средству, входящему в состав группировки);

при решении специальных задач - не более 1 с;

при контроле и управлении одиночными транспортными средствами при их движении в условиях города и по магистралям - 0,5... 1 мин.

При формировании требований к доступности наземных потребителей к радионавигационным системам исходят из критериев решения (достижения) тех или иных задач, реализуемых при использовании соответствующих технологий контроля и управления транспортными процессами.

При контроле и управлении большими группировками транспортных средств, а также при решении специальных задач допускается не более одного процента сеансов навигации, в которых не выполняются требования по точности. Отсюда требование к доступности данной категории транспортных средств к РНС определяется значением вероятности не менее - 0,99.

При контроле и управлении одиночными транспортными средствами допустимая доля сеансов, в которых требования по точности не выполняются, может составлять величину до 5 %, что обуславливает значение требований к доступности РНС для одиночных транспортных средств на уровне 0,95.

Требования потребителей автомобильно-дорожного комплекса к целостности РНС задаются исходя из возможностей парирования в автоматизированных системах контроля и управления транспортными процессами тех временных интервалов, на которых потребителям поступает от РНС недостоверная (ложная) навигационная информация. Противодействовать такой информации системы управления транспортными процессами могут ограниченное время. Именно численное значение возможного времени противодействия ложной информации в системах диспетчерского контроля и управления с заданным уровнем вероятности, по истечении которого должно поступить сообщение о нарушении функционирования РНС, задается в качестве показателя ее целостности.

В существующих системах диспетчерского контроля и управления транспортными процессами время, затрачиваемое на обнаружение и доведение до потребителя сообщений (команд) об исключении из числа действующих ложных источников навигационных сигналов, не должно превышать 15...30 с с вероятностью 0,95.

Требования потребителей наземного транспорта к радионавигационным системам в обобщенном виде представлены в табл. 1.7 12].

Для решения прикладных задач геодезии измерения выполняются относительно пунктов опорной геодезической сети с использованием способов относительных определений. Выход на сантиметровый уровень точности астрономо-геодезических сетей к 2000 г., а в дальнейшем - на миллиметровый уровень к 2010 г. является одной из основных целей обеспечения решения задач геодинамики. Это особенно важно для обширных сейсмоактивных районов в интересах решения задач прогнозирования землетрясений.

Таблица 4. Требования наземных потребителей к радионавигационным системам

			Характеристики
Решаемые задачи	Рабочая зона	Точность (пред.), м	Темп обновления	Доступность	Целостность Тпееп С
Контроль и управление движением транспортных средств: большие группировки	РФ	100	1с	0,99	15...30; Р=0,9
одиночные средства	РФ, СНГ	100	0,5...1 мин	0,95	15...30; Р=0,9
при решении специальных задач	РФ	5... 15	1 с	0,99	15...30; Р=0,9



Требуемый уровень точности определения координат межевых знаков относительно пунктов Государственных геодезических сетей вытекает из требований к геодезическому обоснованию кадастровых съемок крупного масштаба и закреплению границ землепользования.

Фундаментальные задачи решаются средствами и методами спутниковой и традиционной наземной геодезии и гравиметрии.

Прикладные задачи геодезии решаются методами и средствами наземной геодезии, гравиметрии.

Для решения фундаментальных и прикладных задач геодезии ведутся исследования по разработке новых методов и средств и, в первую очередь, по использованию космических радионавигационных систем и космических геодезических комплексов.

Требования к геодезической привязке различных групп потребителей значительно отличаются по точности и оперативности. Требования геологоразведки и добычи полезных ископаемых по координатам, а также привязки наземных радиосредств составляют при этом 5 м, а необходимая точность (СКО) проведения топогеодезических и землеустроительных работ оказывается в диапазоне от 0,01 до 5 м [2].



4. Использование СРНС при обеспечении навигации морских и речных судов

Как следует из главы 1 и из [29], для обеспечения плавания морских судов в открытом море (океане) и прибрежных водах требуемая точность (2 СКО) определения места находится в зависимости от класса судна в диапазоне от нескольких километров до сотен метров. В портах, гаванях, на подходах к ним, в проливных зонах и узкостях требуемая точность (2 СКО) определения места составляет от 8 до 20 м. При проведении картографических, океанографических, изыскательских и других работ требуемая точность будет еще более высокой (доли и единицы метров). Требуемые уровни доступности и целостности находятся в диапазоне от 0,99 до 0,9997 при задержке оповещения о неисправности от единиц до десятка секунд. Требуемые точности определения координат при навигационном обеспечении речных судов аналогичны принятым для морских потребителей.

В соответствии с изложенным для обеспечения плавания в открытом море и прибрежных водах используется бортовая аппаратура GPS в номинальном (автономном) режиме с точностью 35...50 м (СКО) совместно с другими навигационными средствами.

Для обеспечения плавания в портах, гаванях, на подходах к ним, в проливных зонах и узкостях, а также при движении по внутренним водным путям могут использоваться и используются локальные дифференциальные подсистемы (ЛДПС) СРНС, созданные на базе всенаправленных радиомаяков (см. главу 8). При этом точность (с вероятностью более 0,95) определения координат при совместном использовании ГЛОНАСС и GPS составляет от 2 до 10 м. Надежность обслуживания и доступность составят соответственно более 0,9997 (ГЛОНАСС) и 0,998 (GPS) при времени предупреждения об отказе лучше 10 с [29].

Проведение картографических, океанографических, гидрографических, изыскательских и некоторых других работ (по расстановке знаков судоходной обстановки, замеру глубин и т.д.) требует использования систем геодезической точности.

Особенности использования СРНС для морских судов достаточно подробно и квалифицированно рассмотрены в [29]. Здесь только подчеркнем, что морские ЛДПС оказываются одними из самых распространенных наземных средств обеспечения спутниковой навигации. Действительно, морские ЛДПС размещены в США (практически по всему побережью), по периметру о. Исландия, по побережью Италии и в других странах Европы. 12 радиомаяков размещены вдоль побережья Австралии. Отмечается также их размещение в Китае, Индии, Южной Африке, Великобритании, Канаде и в ряде других мест. К середине 1998 г. насчитывалось 187 таких радиомаяков в 28 странах мира. В настоящее время проводятся работы по размещению оборудования ЛДПС и в России на маяке "Шепелевский" вблизи Санкт- Петербурга и на маяке при входе в Цемесскую бухту вблизи Новороссийска.

Для судов морского и речного флота в РНИИ КП разработана морская отечественная БА СРНС "Шкипер-КН" массой 2,5 кг (точность определения координат 15 ..20 м). Кроме того, фирмой "Навис" создана и прошла с положительными результатами испытания 14- канальная Б А ГЛОНАСС/GPS "Бриз-К" (СН-3101) и ее модификация СН-3102 массой 2,6 кг, позволяющая определять координаты с точностью (СКО) 15...20 м в автономном режиме и 3 м - в дифференциальном. Последняя позволяет также обеспечивать движение по заданному маршруту и имеет расширенный набор сервисных и штурманских задач, включая отображение данных на электронной карте, реализованной на графическом жидкокристаллическом дисплее с разрешением 640x480 точек.

Примером использования СРНС для обеспечения прецизионных морских работ служит исследование [44], в котором оценивались возможности использования фазовых измерений и сети морских дифференциальных станций, позволяющих рассчитывать комплексные поправки для определения координат и высоты на сантиметровом уровне точности.

В последнее время появилась тенденция к усилению требований к точности определения координат в открытом море (океане) (до единиц - десятка метров), что предопределяет возросший интерес морского сообщества к широкозонным подсистемам WAAS, EGNOS и MSAS. Поэтому отметим также 16-канальную судовую приемную БА МТ-102 и МТ-201, предназначенную для морских и речных судов, скорость которых не превышает 50 узлов (90 км/ч). Эта БА служит для приема сигналов ГЛОНАСС/GPS, широкозонных дополнений (ШДПС) WAAS и EGNOS, а также сигналов стандартных морских ЛДПС. БА МТ-102 имеет расширенный набор навигационных функций. Эти устройства могут сопрягаться с навигационными комплексами или электронно-картографическими системами по интерфейсу RS-232 и протоколом обмена NMEA 0183 [45].



5. Помехозащищенность и электромагнитная совместимость СРНС

5.1 Источники помех

Канал GPS. На приемник GPS может воздействовать и нарушать его работоспособность несколько видов помех. Прежде всего, это достаточно сильные посторонние сигналы, частоты которых лежат в полосе сигналов GPS. Напомним, что сигналы диапазона L1 занимают полосу 1575,42±12 МГц, а сигналы диапазона L2 находятся в полосе 1215-1240 МГц [1-3].

Хотя ширина полосы сигнала с С/А-кодом составляет ±1 МГц относительно центральной частоты, некоторая мощность распределяется и в более широкой полосе. Это используется в ряде приемников для повышения точности измерения псевдодальности и снижения эффекта многолучевости. Приемники, работающие по Р00-коду, и бескодовые устройства в общем случае также используют полосу, несколько превышающую полосу Р-кода (±10 МГц). Посторонний сигнал достаточной мощности внутри этих полос уменьшает отношение сигнал/шум, снижая тем самым точность измерений, что может привести также к срыву слежения за кодом и несущей частотой сигнала GPS.

Помехи по основному каналу возникают, когда какое-либо средство излучает по разрешению или без такового сигналы в полосе GPS. Например, аэронавигационная служба Швейцарии сообщала о помехах для приемников GPS при заходе на посадку в аэропорту Лугано. Кроме того, обнаружен высокий уровень помех в полосе сигналов GPS при полетах над всей южной Европой [1].

Шумы по основному каналу могут создаваться н от электрических устройств. Приемник может воспринимать помехи через антенну или через цепи питания и проводку.

Излучения вблизи полосы GPS также могут влиять на приемные устройства со слабой фильтрацией сигнала. Например, на одном морском судне приемник GPS становился неработоспособным в гавани Ставангер, Норвегия, из-за воздействия находящегося на расстоянии 1 км передатчика радиолинии, работающего на частоте 1533,005 МГц. Этот сигнал, однако, не влиял на другие GPS-приемники, испытываемые в том же месте.

Многие мешающие сигналы образуются как гармоники основной частоты. Они могут быть достаточно сильными, чтобы мешать приему, особенно если передатчик находится в непосредственной близости от приемника. Например, приемник сигнала GPS L1 диапазона восприимчив к третьей гармонике передатчиков, работающих в диапазоне 500 МГц,, а также ко второй гармонике Северо-Американских телевизионных передатчиков на каналах 66 и 67 (как и соответствующих каналов в других регионах), к 3-й гармонике 22 и 23-го телевизионных каналов, 10-й гармонике каналов УКВ связи в диапазоне от 156,3 до 157,9 МГц, к 12-й и 13-й гармоникам авиационной радиосвязи на частотах вблизи 131 и 121 МГц соответственно, включая 13-ю гармонику аварийной частоты 121,5 МГц.

Источниками помех могут быть также вторые гармоники сигналов запроса дальности отечественных систем РСБН. На одном самолете отмечалось воздействие третьей гармоники (1575 МГц) частоты кристалла 525 МГц системы DME, излучающей сигнал на частоте 1050 МГц. При этом уровень помехи был достаточным для срыва работы 3-х различных приемников GPS.

Не исключается также возможность постановки организованных помех на этапе захода на посадку воздушного судна, что может привести к его катастрофе. На этих ответственных этапах движения предполагается использовать дифференциальные подсистемы GPS. При этом помехи могут быть поставлены как бортовой аппаратуре GPS, так и аппаратуре GPS контрольно-корректирующих станций, а также приемникам линий передачи данных (ЛПД), по которым передаются сигналы контроля целостности и дифференциальные поправки.

Использующиеся сейчас морские ЛПД созданы, как известно (глава 8), на основе всенаправленных радиомаяков и излучают сигналы в диапазоне от 283,5 до 325 кГц. При их использовании возможны, в частности, помехи от разрядов статического электричества при наличии осадков (снег, дождь).

Разработанные авиационные ЛПД используют для передачи поправок и другой информации диапазон частот 112-118 МГц. Основной недостаток такого решения - перегруженность этого диапазона другими радиосредствами. Создаются также дифференциальные спутниковые подсистемы, поправки которых, например, должны передаваться через спутники Инмарсат и передатчики радионавигационной системы Лоран-С (глава 7).

Имеется ряд сообщений о попытках оценки помехоустойчивости и уязвимости GPS. Этому посвящены, в частности, исследования [1, 3-5], которые однако носят отрывочный характер. Имеются также сообщения из повседневной практики. Например, консультативный документ № 236, 1995, МО США сообщает потребителям GPS о возможности помех внутри зоны радиусом 370 км вокруг пункта Битти, штат Невада, где Военно-морской центр радиоэлектронной борьбы планировал свои испытания 8.11.95. Такие испытания продолжались и позднее с подобными же предупреждениями [1].

С марта по июнь 1997 года Web-страница Интернет Навигационного центра Береговой охраны США характеризовала как помеховую километровую зону вокруг маяка VORTAC, пункта Tonopah, штата Невада. Мощность источника помех не установлена, хотя, как сообщалось, сигналы исходили от самолета на высоте 4500 м над уровнем моря.

Сообщалось также о воздействии на приемник GPS немодулированной несущей (НН) с частотой 1575,36 МГц, эффективной излучаемой мощностью 7,9 дБВт и вертикальной поляризацией. Сигнал излучался передатчиком маяка высотой 67 м над уровнем моря. Этот сигнал поражал три различных приемника GPS на судах, удаленных от маяка на расстояния 37-55 км. Точное расстояние, на котором поражались приемники GPS, зависело от высоты расположения приемной антенны, составлявшей от 14 до 28 м. В другом сообщении, последовавшим за серией трансевропейских испытательных полетов с целью измерения уровня помех, было сделано заключение, что приемник GPS, как единственное средство навигации, вообще является крайне уязвимым для помех [1].

Поскольку все НКА GPS работают на одной частоте, помехи, вызывающие срыв слежения за сигналом одного НКА, будут вызывать срыв слежения и за сигналами других НКА, а с ним ¦ невозможность определения места.

Канал ГЛОНАСС. Как следует из главы 2, сигналы ГЛОНАСС L1 диапазона (закрытые с полосой ± 5,11 МГц и открытые, стандартной точности, с полосой ± 0,511 МГц) имеют центральные частоты в полосе частот 1602-1615,5 МГц, а сигналы ГЛОНАСС диапазона L2 (закрытые) находятся в полосе частот 1246-1256,5 МГц. В соответствии с [6] максимальный уровень принимаемого потребителем сигнала стандартной точности в диапазоне L1 в результате действия всех факторов не превысит - 155,2 дБВт. Номинальный уровень сигнала L1 - 161 дБВт. После 2005 года сигналы диапазонов L2 и L1 должны быть сдвинуты в полосы 1242,94-1247,75 МГц и 1598-1604,25 МГц соответственно.

В качестве основного возможного источника неорганизованных помех ГЛОНАСС указываются средства низкоорбитальных систем подвижной спутниковой связи (ПСС), занимающие полосу выше 1610 МГц (системы Иридиум, Глобалстар и др). В последнее время оценке влияния их сигналов на приемный канал потребителя ГЛОНАСС уделялось заметное внимание, что позволило провести необходимые экспериментальные исследования.

Другие источники помех будут в основном аналогичны тем, которые оказывают влияние на канал GPS. Отметим, что ГЛОНАСС, сигналы НКА которой работают на различных частотах, будет более устойчивой к воздействию немодулированной несущей (НН) или узкополосного сигнала. С другой стороны очевидно, что помеха со случайно и медленно меняющейся НН больше влияет на прием сигналов ГЛОНАСС, чем GPS. В целом, вследствие того, что аппаратура ГЛОНАСС имеет пока сравнительно ограниченное распространение и применение, ее ЭМС с другими РЭС меньше изучена, и этот пробел восполняется посредством проведения специальных работ.

Некоторые исследования воздействия помех. Ряд результатов исследований воздействия сигналов ПСС на приемные устройства ГЛОНАСС докладывался 17.11.98 г, на симпозиуме Российского общественного института навигации "Нормативные правовые и технические аспекты использования спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС и GPS". При этом показано, что основными средствами противодействия влиянию сигналов систем ПСС являются меры по обеспечению необходимого уровня фильтрации сигналов в приемнике СРНС, пространственная избирательность его антенных устройств и, в ряде случаев, регламентация пространственного разноса приемных устройств СРНС и терминалов ПСС.

Подробное исследование воздействия помех на приемник GPS Trimble 4000SST было осуществлено 24.5.94 г. в Технологическом университете Квинсленда (Австралия) и описано в [7]. Для сравнения использовались данные одновременных наблюдений в районе г. Хобарт, Тасмания, где помехи отсутствовали. При этом выявлено, что помехи в основном приводили к ошибкам в определении изменений псевдодальностей и статистически могли характеризоваться белым шумом с нулевым средним значением и СКО, равным 4 м/с. Измерения фазы несущей воздействию помех не подвергались. Помехи приводили, в частности, к появлению больших высокочастотных ошибок при определении высоты (до 180 м) в течение интервалов времени до 6 с. Подтверждено, что помехи влияли на прием сигналов всех наблюдавшихся НКА. Источник помех находился, по-видимому, в районе г. Брисбен, имел частоту вблизи частоты LI GPS и фазовую модуляцию с частотой 1,023 МГц. Эффективной мерой по борьбе с этой помехой было сглаживание кодовых измерений с помощью измерений фазы несущей.

В работе [8] проведено исследование помеховой обстановки для приемников GPS и ГЛОНАСС в Германии. Для приемников GPS не нашлось источников помех внутри или вблизи полосы сигнала с кодом С/А, которые существенно повлияли бы на их показания. Однако были обнаружены источники помех для сигналов ГЛОНАСС в диапазонах как L1, так и L2. Это только в Германии имеется более 250 радиолюбительских передатчиков (Digipeaters) в диапазоне 1240...1243,25 МГц, предназначенных для передачи цифровых данных (пакетное радио). Сеть таких передатчиков охватывает всю Западную Европу.

Имеется также некоторое количество любительских радиорелейных станций с частотной модуляцией в диапазоне от 1242 до 1242,7 МГц, а также любительских телевизионных передатчиков в диапазоне от 1243,25 до 1260 МГц.

Помехи от любительских средств отмечаются в Нидерландах и Швейцарии. Показано, что указанные средства влияют и на канал L2 ГЛОНАСС.

В качестве источников помех необходимо также рассматривать обзорные РЛС УВД. В Германии их 12. Они работают в диапазоне частот от 1250 до 1259 МГц. Кроме того, в качестве источников помех рассматриваются и аэродромные РЛС с несущими частотами в диапазоне от 2816 до 2889 МГц, а также сигналы систем VORTAC, TACAN, DME. Авторы [8] считают, что интегрированный приемник ГЛОНАСС/GPS, вследствие того, что он отличается своей более широкой полосой частот, может оказаться менее эффективным в борьбе с помехами, чем приемник с раздельными каналами ГЛОНАСС и GPS.



5.2 Защита от помех

Мероприятия по защите от помех определяются конкретными применениями аппаратуры СРНС. Действительно, во многих применениях вероятность помех низка и, следовательно, пренебрежение ими несущественно. Например, неправдоподобно, чтобы наземный телевизионный передатчик мешал приемнику GPS на борту танкера посреди Атлантики. И, если приемник автомобиля, следующего по оборудованной дороге, подвергается воздействию помех на участке в два километра, водитель может этого даже не заметить.

Но в некоторых случаях их влияние серьезнее. Если узкий вход в гавань часто оказывается в условиях плохой видимости, последствия продолжительных помех судовым приемникам СРНС могут быть катастрофическими.

Существует ряд направлений борьбы с помехами. Одно из них - защита диапазона сигналов СРНС от вторжения в него других систем. Регулирование всего спектра частот, ликвидация противоречий и достижение компромиссов обеспечивается на международной основе МСЭ. МСЭ рассматривает сигналы GPS и ГЛОНАСС, как сигналы Радионавигационной спутниковой службы (РСС), использующей радиоизлучения передатчиков КА для целей определения положения, скорости и других параметров в интересах навигации. РСС занимает все эти диапазоны на первичной основе. Этот статус обеспечивает защиту диапазона от посягательств других служб. Однако недавно международный оператор спутниковой связи Инмарсат при поддержке Европейского бюро по радиосвязи предложил МСЭ передать часть диапазона РСС 1559-1610 МГц Подвижной спутниковой службе (ПСС). Это предложение, в частности, означает, что участок 1559-1567 МГц для ПСС частично перекрывал бы полосу GPS. Существующие гражданские приемники GPS не смогут работать в соответствии с заданными требованиями, если ПСС займет этот диапазон [1,2]. Но особенно болезненным это было бы для ГЛОНАСС. Специалисты требуют более тщательно учитывать интересы как существующих, так и создаваемых радиосредств так, чтобы заранее исключать помехи друг другу.

Важным этапом в борьбе с воздействием помех является распознавание помех. Имеются некоторые рекомендации по распознаванию помех, но при этом учитывается, что различные приемники на помехи реагируют по-разному [1]. Иногда устройство просто перестает выдавать информацию о месте на дисплей. Показания дисплея могут "застывать". Возможен переход устройства в режим автономного счисления. Каковы бы ни были конечные результаты влияния помех, потребитель вправе рассчитывать на возможно более раннее предупреждение о приближении отказа. Это может быть, например, индицируемое отношение сигнал/шум, показывающее ухудшение надежности при увеличении интенсивности помехи. Число НКА, за сигналами которых осуществляется слежение, также может указывать начало ухудшения условий навигационных определений. Некоторые приемники обращают внимание потребителя на это посредством свиста или гудка ("бипа")- Однако, другие могут вообще не выдавать предупреждений. Поэтому потребитель должен познакомиться у производителя с симптомами и признаками возможных помех. В более сложных случаях автоматизированного использования данных СРНС прибегают к автоматическим обнаружителям помех, использующим развитые алгоритмы теории статистических решений.

От производителей также требуется более осознанная позиция в вопросе защиты от помех, обеспечиваемой их оборудованием. Можно отметить следующие основные направления повышения помехоустойчивости спутниковой аппаратуры по крайней мере для наиболее важных подвижных средств:

использование внешних или внутренних обнаружителей помех;

создание специальных схем подавления помех (фильтров, развязок, алгоритмов обработки и т.д.);

создание приемников сигналов как GPS, так и ГЛОНАСС с учетом накопленного опыта работ ряда фирм (гл. 9);

использование алгоритмов сглаживания кодовых измерений с привлечением измерений фазы несущей;

использование управляемой пространственной избирательности синтезируемых антенных систем, в том числе с "нулями" в направлении на помеху;

использование информации автономных и других систем на 6opiy подвижных средств для сужения полосы пропускания следящих трактов приемников СРНС;

взаимодействие с создателями транспортных (прежде всего авиационных) средств, проведение тщательных работ по обеспечению электромагнитной совместимости бортового оборудования и интеграция аппаратуры СРНС с такими автономными средствами, как инерциальная навигационная система, курсо-доплеровская система и т.д.

В борьбе с помехами приемным устройствам потребителей СРНС в последнее время получен ряд важных результатов. Так, использование некоторых из указанных выше путей подавления помех позволило фирме Mayflower Comm. Co., США, создать специальные средства для 18-канального приемника RGR 6000, реализующие коэффициентом подавления порядка 35 дБ [9].

Повышение помехоустойчивости достигается также за счет разумного синтеза радиочастотной части, устройств преобразования "аналог-цифра" и канальных алгоритмов (для вычисления отношения сигнал-шум, адаптивной регулировки порога при вхождении в режим слежения). Эти меры использованы при создании приемника GG-24 Ashtech [10]. В [11] описан авиационный приемник, реализующий такие меры для удовлетворения высоких требований и рекомендаций RTCA и ARINC и осуществляющий эффективное подавление мешающих сигналов систем Иридиум и др.

В работе [12] описаны цифровые подавители помех компенсационного типа с квадратурной обработкой разности между входным сигналом и соответствующей копией оценки помехи, реализованные в приемниках фирмы Javad Positioning Systems.

Работа [13] содержит результаты исследований рациональных путей построения схем слежения за частотой и фазой сигнала, обеспечивающих точность и помехозащищенность измерений радионавигационного параметра (РНП), а в [14] приводятся соотношения, связывающие точность измерений РНП со спектральными характеристиками помех. Работа [15] посвящена влиянию будущего гипотетического закрытого сигнала GPS L1 диапазона на работу обычных гражданских приемников.

Отметим, что Комиссия Президента США по критическим элементам инфраструктуры, рекомендовала Министерству транспорта провести более полную оценку уязвимости GPS при воздействии помех различного происхождения прежде, чем будет принято решение о прекращении работы других радионавигационных и посадочных систем [16]. В этом ключе необходимо рассматривать работы по оценке внутрисистемных помех GPS [17], по воздействию на каналы GPS и каналы WAAS сигналов систем ПСС [18, 19]. В [20] рассматривается воздействие и способы подавления помех приемником GPS, работающим в стационарных условиях городской высотной застройки и используемым для синхронизации наземных систем. Вопросам контроля уровня помех на контрольных станциях WAAS посвящена работа [21].

Вопросами обеспечения помехозащищенности аппаратуры GPS обеспокоено Министерство обороны США, что стимулировало проведение в этом направлении большого количества работ. Так, в [22] рассматривается возможность использования в сложной помеховой обстановке псевдоспутников, прием сигналов которых позволит облегчить вхождение в режим слежения за сигналами GPS. В [23] предлагается вариант прямого ускоренного вхождения в режим слежения с помощью Р(У)-кода, а в [24] исследуются влияние скачков фазы несущей частоты сигнала на работоспособность аппаратуры. В [25] оцениваются пути рационального построения преобразователей "радиочастота-код", предназначенных для борьбы с помехами. В [26] приведены результаты полунатурного моделирования 7-элементной фазированной антенной решетки с "нулями" диаграммы направленности на источники помех. Решетка смонтирована на модели самолета F-16 в 1/8 натуральной величины. В экспериментах использовался источник облучения с частотой, превышающей частоту GPS в 8 раз. Показана возможность подавления помех более, чем на 30 дБ. В [27] описаны итоги исследования алгоритмов пространственно-временной и частотно-временной обработки сигналов, принимаемых приемником этого же самолета. Работа [28] содержит результаты интеграции встраиваемого модуля GPS и сравнительно дешевой ИНС с использованием сильно связанной схемы комплексирования. Работа автора сигнала GPS Дж. Спилкера и К. Орра [29] содержит материалы исследований возможностей построения с помощью методов мажоритарной логики новых кодов для перспективных закрытых военных сигналов GPS, позволяющих повысить помехозащищенность системы.

В работе [30] приведены результаты создания управляемой антенной решетки для объектов с ограниченными габаритами (легкие самолеты, управляемая авиабомба JDAM и др.). Для иллюстрации проблемы в целом на рис. 10.1 помещены графики, характеризующие отношение шум/сигнал для частоты L1 закрытого сигнала GPS при мощностях передатчика помех соответственно 0,1 Вт, 1 Вт, 10 Вт и 100 Вт, как функции удаления передатчика помех от потребителя, а также пороговые отношения шум/сигнал, при превышении которых нарушается работоспособность приемника. При использовании сигнала с С/А-кодом для поиска и вхождения в режим слежения пороговое отношение помеха/сигнал составляет 22 дБ. При прямом использовании для этого сигнала с Р(У)-кодом это отношение составляет 34 дБ. Перспективные более совершенные способы обработки сигналов позволяют рассчитывать на повышение такого показателя до уровня 44 дБ. Как следует из рис. 1, даже сравнительно маломощные источники помех могут привести к нарушениям работы приемника на сравнительно больших взаимных удалениях. По оценке авторов [30], создание и использование антенных решеток с управляемыми диаграммами направленности в состоянии повысить порговое отношение помеха/сигнал до уровня 84 дБ для современных приемников и до 98 дБ для перспективных.

Рис. 1. Отношение помеха/сигнал

Рис. 2. Четырехэлементная антенная решетка



На рис. 2 приведена упрощенная схема созданной авторами [30] конструкции четырехэлементной решетки. Антенные элементы в виде микрополосковых заплаток укреплены на общей диэлектрической подложке. На рис. 2 показаны также блоки управления для формирования заданной диаграммы направленности. Ниже приводятся основные характеристики такой антенны (табл. 5).

Таблица 5. Основные характеристики 4-элементной решетки

Параметр	Значение параметра
Центральная частота, МГц	1575,42
Ширина полосы частот, МГц	20
Входной импеданс, Ом	50
Поляризация	Правая круговая
Диаметр антенны, см	15
Конфигурация решетки	Квадратная
Число элементов	4
Тип элемента	Прямоугольный

Проведенные в [30] испытания показали, что созданная микроминиатюрная решетка имеет эффективность, аналогичную возможностям полноразмерной антенны с расстояниями (между элементами) в половину длины волны.

Проводятся исследования [31], посвященные моделированию и оценке возможностей более сложных 7-элементной и 19-элементной антенных решеток при подавлении сигналов помех трех и шести широкополосных станций. Исследования выявили возможности подавления помех с эффективностью до 50 дБ.

В заключение отметим, что эффекты воздействия помех на спутниковую аппаратуру и меры по повышению ее помехоустойчивости являются предметом интенсивных исследований и разработок, результаты которых широко и регулярно освещаются на наиболее авторитетных научно-технических конференциях (ION GPS, ION Annual Meeting и др.)

6. Применение СРНС в гражданской авиации полет по маршруту

Использование СРНС в авиации определяется возможностями удовлетворения предъявляемых высоких требований к точности и надежности навигационных определений (см. главу 1). Напомним, что при следовании ВС по маршруту в большинстве случаев требуемая точность (СКО) определения координат составляет от 5,8 км до 200 м [27]. В соответствии с разработанными ИКАО для маршрутного полета ТНХ (RNP) ВС должно находиться с вероятностью 95% (2 СКО) в полосе от ±1,85 до ±37 км. Одновременно в РРНП [27] предъявлены высокие требования по надежности: 0,999 - по доступности и целостности при допустимом времени предупреждения - 10 с.

Учитывая, что точность (СКО) определения координат с помощью ГЛОНАСС и GPS находится в пределах 35...50 м, бортовая аппаратура этих систем, исходя из указанных соображений, оказывается пригодной для выполнения поставленных задач. В то же время принципы построения и конкретные временные характеристики систем ГЛОНАСС и GPS по выявлению отказов и оповещению потребителей о возможных нарушениях в работе (главы 2 и 3) напрямую не позволяют считать БА СРНС пригодной к использованию в качестве основного средства навигации ВС без принятия собственных специальных мер по выявлению и исключению измерений, подверженных нарушениям. Такими мерами, как отмечалось выше, являются разработка и реализация алгоритмов контроля целостности в приемнике (RAIM) и в навигационном комплексе (AAIM).

В главе 9 уже отмечалось, что к настоящему времени различными фирмами (Allied Signal, Trimble, Garmin, Bendix, Magellan, Collins и др.) разработано достаточно большое число приемников GPS (в основном для обеспечения полета по маршруту, в зоне АЭ и для неточного захода на посадку) с разными характеристиками и потребительскими свойствами. При этом условно можно выделить следующие группы аппаратуры:

дешевые приемники, выполняющие простые навигационные задачи; их применение требует от летного состава хорошей штурманской подготовки, поскольку в полете осуществляется лишь коррекция места;

многофункциональные приемники с отображением информации в полете, позволяющие выполнять полет по маршруту по правилам полета по приборам;

совмещенные приемники GPS/Com, в которых совмещены функции определения местоположения и связи; при этом в автоматическом режиме могут передаваться сигналы SOS, координаты и др.;

многофункциональные приемники, предусматривающие отображение информации на фоне цифровой электронной карты с выбираемым масштабом и возможности дополнительного определения некоторых навигационных параметров (вектор ветра и др.);

аппаратура, "стационарно" входящая в состав оборудования ВС.

Заметим, что приемники, входящие в первые четыре группы, являются индивидуальными средствами летчика.

Многие образцы аппаратуры начали стихийно размещаться и использоваться на ВС различных классов и назначения. Поэтому возникла настоятельная потребность в регулировании этого процесса.

Требования руководящих документов к функциям БА. Основными руководящими рабочими документами, определяющими возможность использования БА GPS, являются документы Федеральной авиационной администрации США TSO С-129 от 10.12.92 г. "Дополнительное бортовое навигационное оборудование, использующее глобальную систему определения местоположения (GPS)" и Notice N8110.60 от 04.12.95 г. "GPS как основное средство навигации для полетов в океанических и удаленных районах", а также "Стандарт на минимальные рабочие характеристики бортовой авиационной аппаратуры GPS при ее использовании в качестве дополнительного средства" RTCA/DO-208.

Приказом № 61 ФАС [28] в России "в целях более эффективного использования спутниковых навигационных систем в практике гражданской авиации и улучшения навигационных характеристик воздушных судов" предписано руководствоваться положениями TSO С-129 и Notice N8110.60 до разработки соответствующей отечественной нормативной базы, а также "Положением о порядке допуска воздушных судов России к полетам в системе зональной навигации (B-RNAV) в Европейском регионе" №3.10-41, утвержденным ФАС России 10.10.97 г.

Учитывая разнообразие созданной техники, в документе TSO С-129 проведена классификация оборудования GPS. Оно разбито на классы А, В, С [28, 29].

Бортовая аппаратура (БА) класса А включает приемник GPS и навигационный вычислитель с функцией RAIM, объединенный с пультом индикации и управления (рис. 3). БА класса А1 одобрена для обеспечения полета по маршруту, в зоне аэродрома (АЭ) и при заходе на посадку без средств точного захода, кроме курсовых радиомаяков (КРМ), средств наведения типа КРМ и упрощенных радиосредств направленного действия. БА класса А2 одобрена только для обеспечения полета по маршруту и в аэродромной зоне. БА класса А может использоваться на ВС, не оборудованных навигационными комплексами или системой управления полетом (FMS).

Рис. 3

БА класса В представляет собой датчик GPS, который поставляет информацию о параметрах полета в навигационный вычислитель НК или во FMS. БА класса В1 предназначена для обеспечения полета по маршруту, в зоне АЭ, захода на посадку без средств точного захода кроме КРМ, средств наведения типа КРМ и упрощенных радиосредств направленного действия. БА класса В2 предназначена для обеспечения полета по маршруту и в зоне АЭ.

БА классов В1 и В2 должна иметь функцию RAIM (рис. 4).

Приемник	Время	Вычислитель	полетом	САУ	управления
СРНС		НК (FMS)				1
					/*
				Устройства	s
				индикации,	Т
		Сигналы RAIM (AAIM)	сигнализации, управления	Сигналы ручного управления

Рис. 4. БА СРНС классов В и С в составе бортового оборудования ВС

БА класса ВЗ предназначена для полета по маршруту, в зоне АЭ, для захода на посадку без средств точного захода кроме КРМ, средств наведения типа КРМ и упрощенных радиосредств направленного действия. БА класса В4 предназначена для полета по маршруту и в зоне АЭ. БА классов ВЗ и В4 должна иметь совместно с НК (FMS) функцию AAIM, эквивалентную функции RAIM.

БА класса С (Cl, С2, СЗ, С4) аналогична оборудованию класса В (BJ, В2, ВЗ, В4 соответственно), но предназначена для ВС, НК или FMS которых имеют расширенные связи с системой управления (автопилотом) или командными пилотажными приборами, позволяющими снизить ошибки управления (пилотирования) ВС [29].

БА класса А содержит базу данных с координатами исходных и конечных пунктов маршрута (ИПМ и КПМ), поворотных (промежуточных) пунктов маршрутов (ППМ, WPT) и самими маршрутами (например, SID - стандартный маршрут вылета и STAR - стандартный маршрут прибытия), с координатами аэродромов, контрольных ориентиров, препятствий, пересечений трасс, с характеристиками используемых радиосредств (VOR, ПРС), ВПП, зон ограничений, запретов, предупреждений и т.д. Одновременно учитывается, что эти данные при использовании аппаратуры классов В и С находятся в вычислителе НК (FMS).

БА класса А может вычислять помимо геодезических координат (широты В и долготы L), высоты опорным эллипсоидом (Н), составляющих скорости (V_N, V_E, V_H) и времени (UTC), также путевую скорость (GS, SPD), путевой угол (TRK), удаление от очередного ППМ (DIS, DST), пеленг очередного ГОШ (BRG), линейное боковое уклонение (ЛБУ, ХТК, STR) от линии заданного пути (ЛЗП), время, оставшееся до прибытия в точку назначения при текущей скорости и курсе (ЕТЕ), расчетное время прибытия (ЕТА), скорость движения к точке назначения (VMG), заданный курс (CTS), требуемый разворот (TRN), заданный путевой угол (DTK), выбранный курс при смене ППМ (OBS) и др.

К сожалению, летным составом отмечается излишнее многообразие в обозначениях и отсутствие стандартизации процедур использования приемников. Тем не менее можно выделить наиболее характерные режимы работы: навигация (NAV), программирование ППМ (WPT) и маршрут (FPL, RTE), аварийный (NRST), установка (SET), "направить на" (DIR ТО или GO ТО), просмотр текстовых сообщений (MSG), встроенный контроль, имитация полета. Летному составу предварительно нужно знать:

порядок подготовки БА к полету;

порядок управления БА на этапах полета;

последовательность действий при изменении условий полета;

способы использования информации в вычислителе для решения навигационных задач;

способы взаимного контроля работоспособности БА СРНС и других навигационных средств;

способы использования других средств навигации при отказах БА СРНС;

порядок распределения внимания летного состава при использовании БА СРНС. Особое внимание должно уделяться процессу подготовки аппаратуры к полету, включающему:

определение необходимых исходных данных;

составление и ввод программы полета;

предполетную подготовку и проверку БА.

Все это предполагает подбор и подготовку карт, выбор, прокладку и изучение маршрута и разработку штурманского плана полета.

Требования к индикации. Использование выходной информации БА летчиком осуществляется с помощью систем индикации (дисплеев). При этом может индицироваться как цифровая информация, так и графическая. Так, при индикации цифровой информации:

дисплеи БА класса А2 должны обеспечивать непрерывное отображение информации с точностью, соответствующей разрешающей способности, требуемой для всего диапазона;

дисплеи БА класса А2 должны отображать боковое отклонение до ±20 морских миль (м.м.) или ±37 км с разрешающей способностью 0,1 м.м. (до 9,9 м.м.) и 1 м.м. (1,85 км) свыше 9,9 м.м.;

дисплеи Б А класса А1 должны отображать боковое отклонение с разрешающей способностью 0,01 м.м. для отклонения менее, чем 1,0 м.м.;

системы класса А1 должны вычислять и отображать погрешность выдерживания путевого угла либо в аналоговом, либо в цифровом виде с разрешающей способностью один град. При индикации нецифровой информации требуемые характеристики приведены в табл. 6.

...