Оценка возможности учета геофизических параметров атмосферы при решении навигационных задач в импульсно-фазовой радионавигационной системе

Подполковник Р.А. Сафонов,

научный сотрудник Научно-исследовательского института Вооруженных Сил Республики Беларусь

ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ УЧЕТА ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРЫ ПРИ РЕШЕНИИ НАВИГАЦИОННЫХ ЗАДАЧ В ИМПУЛЬСНО-ФАЗОВОЙ РАДИОНАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЕ

УДК 358.39

Повышение точности измерений с использованием сигналов системы дальней радионавигации в период военных действий может служить одним из путей сохранения живучести системы навигационного обеспечения. В статье рассматриваются необходимость, возможность и способы учета геофизических параметров атмосферы в алгоритмах решения навигационных задач с использованием импульсно-фазовой радионавигационной системы в интересах повышения точности местоопределения потребителей навигационной информации.

Современное состояние радиотехнических навигационных систем позволяет считать глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) безусловным лидером в части касающейся пространственного размаха рабочих зон и точности решения навигационной задачи [1]. К сожалению, такие характеристики, формируемого ими радионавигационного поля, как доступность и целостность, по сей день, не в полной мере отвечают требованиям потребителей, критичных к применению навигационно-временных технологий [2].

Специалисты многих стран отводят роль дополняющих (резервных) радионавигационных систем наземным радиотехнических системам дальней навигации, а в частности импульсно-фазовым радиотехническим навигационным системам (ИФРНС) Лоран-С (США) и Чайка (Российская Федерация) [3, 4, 5, 6, 7]. В некоторых странах реализуются программы по созданию с помощью ИФРНС региональных дифференциальных подсистем, доводящих контрольно-корректирующую информацию к сигналам ГНСС в составе сигналов ИФРНС [5, 6].

Противники дальнейшего использования ИФРНС строят свои доводы в основном на таких недостатках системы, как громоздкость наземной аппаратуры и антенных систем, снижающих живучесть системы и относительно не высокая точность местоопределения, составляющая 120-700 м [1].

Рассматривая особенности использования навигационно-временных технологий в ходе военных действий необходимо учитывать геополитические аспекты применения ГНСС, их уязвимость к воздействию преднамеренных и непреднамеренных помех, упомянутые выше показатели доступности и целостности формируемого ими радионавигационного поля. Другими словами, любое повышение точности навигационных измерений с использованием различных навигационных систем, работающих в автономном режиме, окажет положительное влияние на показатели живучести системы навигационного обеспечения военных действий.

В вопросах повышения живучести непосредственно ИФРНС в основном следуют путём применения подвижных (мобильных) ИФРНС и использования многочастотных систем. При решении задачи повышения точностных параметров навигационных измерений с использованием ИФРНС направлений несколько.

В первую очередь, к ним относят применение прогрессивных режимов эксплуатации ИФРНС (режим работы с функционально равноценными станциями, режим одновременной работы со смежными цепям, дифференциальный режим).

В дальнейшем следуют путями уменьшения инструментальных погрешностей измерения навигационного параметра, совершенствования алгоритмов пересчета полученных результатов из гиперболической в прямоугольную систему координат и создание моделей поправок к фазовой скорости распространения радиоволн в зависимости от рельефа и состояния подстилающей поверхности [1, 8, 9].

Безусловно, одним из перспективных направлений повышения точности измерений с использованием ИФРНС считают использование дифференциального режима ИФРНС. Он реализуется эмпирическими измерениями и вычислением дифференциальных поправок к скорости распространения радиоволн в атмосфере при конкретных характеристиках подстилающей поверхности. Рассчитанные таким образом поправки действуют в ограниченном регионе на ограниченном отрезке времени. Этот недостаток устраняется путем реализации дифференциального режима аппаратными средствами, работающими в режиме времени, близком к реальному, с использованием сети контрольно-корректирующих станций [1, 6], что в свою очередь влечет значительные затраты ресурсов, как на этапе разработки и проектирования, так и в ходе эксплуатации.

В соответствии с вышеизложенным целесообразно определить наиболее простые пути повышения точности решения навигационных задач с использованием ИФРНС и оценить степень влияния и возможность учета таких геофизических параметров атмосферы, как атмосферное давление, относительная влажность воздуха и абсолютная температура, на решение навигационной задачи. Влияние указанных параметров на скорость распространения радиоволн является наиболее существенным.

Анализ результатов проведенных ранее исследований подтверждает, что характер распространения радиоволн в тропосфере определяется состоянием атмосферы и процессами, которые в ней происходят [10, 11]. Совокупное влияние на распространение радиоволн состояния атмосферы и атмосферных процессов или, влияния на распространение радиоволн погодных условий является весьма сложным. Это влияние сказывается в одновременном проявлении эффектов, действие каждого из которых зависит от длинны волны.

Следует отметить, что при длине волны ИФРНС , равной 3000 м, далеко не все из перечисленных явлений оказывают значительное влияние на условия распространения радиоволн. Наиболее существенными можно считать: дифракцию, интерференцию и отличие фазовой скорости в реальной среде от скорости в свободном пространстве.

Оценивая влияние перечисленных выше явлений на условия распространения радиоволн длинноволнового диапазона и учитывая принципы функционирования ИФРНС, рассмотренные подробно в литературе [1, 8, 9], можно утверждать, что наиболее существенно на качество решения навигационных задач с использованием сигналов ИФРНС оказывают подстилающая поверхность и изменение фазовой скорости распространяемых радиоволн в зависимости от состояния параметров атмосферы.

Явления интерференции и рефракции, выраженные в переотражении электромагнитных волн этой частоты от ионосферы и формировании электромагнитного поля в любой точке пространства рабочей зоны, состоящего, практически, из суммы полей пространственной и поверхностной электромагнитных волн, устраняется в аппаратуре ИФРНС при помощи инженерно-технических решений [8]. Они позволяют исключить возможность использования сигнала пространственной волны для осуществления навигационных измерений, так как пространственная волна, претерпевая отражения от ионосферы и земли, значительно запаздывает (десятки мкс) и делает навигационные измерения с ее использованием невозможными из-за их крайне низкой точности. Таким образом, дальнейшему рассмотрению подлежит только поверхностная волна.

Влияние подстилающей поверхности на условия распространения поверхностной волны заключается не только в дифракции радиоволн при значительном изменении абсолютных высот рельефа Земли и относительных высот искусственных сооружений, но и в изменении проводимости Земли на конкретных участках радиотрассы [8]. Учитывая, что площадь рабочих зон цепи станций ИФРНС составляет миллионы квадратных километров, достаточно достоверная оценка влияния подстилающей поверхности на точность определения навигационного параметра в ИФРНС представляет значительные трудности и тем самым не являлась предметом рассмотрения.

Необходимо отметить, что в рассматриваемой системе используется импульсно-фазовый метод измерения пройденного волной расстояния между станциями цепи и потребителем навигационной информации [1, 8, 9]. При этом на первом этапе осуществляется поиск сигналов ведущей станции и грубое определение значения навигационного параметра импульсным методом, т.е. по разности времени прихода сигналов ведущей и ведомых станций системы с ошибкой, не превышающей ширину фазовой дорожки для данной рабочей частоты

(1)

В этом случае устраняется многозначность фазовых отсчетов. Дальнейшие измерения, во втором этапе, производятся по фазовому методу в пределах однозначности фазовых отсчетов по разности фаз сигналов станций системы.

Следует учитывать, что если ошибка измерения разности времени прихода сигналов станций системы превысит ширину фазовой дорожки, то дальнейшее точное измерение разности фаз, ее уже не устранит, измерение будет производиться в рамках другой фазовой дорожки.

Если же ошибка измерения в грубом режиме не превысит ширины фазовой дорожки, то необходимо оценить степень влияния метеорологических параметров на измеряемую разность фаз и потенциальную ошибку навигационных измерений, вносимую атмосферными параметрами в пределах фазовой дорожки.

Исследование точности навигационных измерений при импульсном режиме эксплуатации ИФРНС производилось с учетом того, что влияние параметров атмосферы на фазовую скорость распространения радиоволн выражается через их влияние на показатель преломления среды  [11]

,(2)

который вычисляется по формуле

,(3)

Где

Т - абсолютная температура;

е - давление водяного пара;

Р - суммарное давление всех газов.

В свою очередь, давление водяного пара можно установить, используя соотношение

,(4)

где S - относительная влажность в %;

- давление насыщенного водяного пара при соответствующей t.

При температуре ниже 0 различают два значения давления насыщенного водяного пара: - давление насыщенного пара над плоской поверхностью воды, - давление насыщенного пара над плоской поверхностью льда и под состоянием насыщения понимается состояние термодинамического равновесия влажного воздуха с жидкой или твердой фазой воды при заданном давлении и температуре. Всемирной метеорологической организацией (ВМО) рекомендовано в оперативной метеорологической практике при температуре ниже 0 использовать соотношение для . Этой же организацией определены (как наиболее точные) для расчета различных характеристик влажности полуэмпирические зависимости Гоффа и Грача, однако громоздкость вычислений с их помощью привела к использованию менее точных зависимостей для аппроксимации в виде

(5)

.

Относительная погрешность расчета при этом, для температур от минус 80 до плюс 50 составляет не более 0,0036 и 0,0001 соответственно. С учетом рекомендаций ВМО, в расчетах использовались: при отрицательных температурах зависимость для , при положительных температурах зависимость для .

Итак, используя данные метеорологических наблюдений за 2006-2009 годы в городах Брест, Витебск, Гомель, Минск, Орша [13] в общем виде, характеризующие распределение атмосферных параметров на территории Республики Беларусь, учитывая, что , где, а t - температура атмосферы на интересующей нас высоте в , можно определить, как изменяется показатель преломления среды с изменением рассматриваемых параметров атмосферы (t - температура воздуха в на высоте 2 м, Р - атмосферное давление на уровне моря в гПа, S - относительная влажность воздуха в %).

Проводя приблизительную оценку возможности учета параметров атмосферы при решении навигационной задачи использовались следующие, в оцениваемом периоде, области значений этих величин: t - от минус 30,6 до плюс 36, Р - от 966 до 1055 гПа, S - от 15 до 100 %.

Использование выражений (1-5) позволило определить область значений показателя преломления среды, которая составила от 1,0005934922 до 1,0003095153.

Это повлекло изменение фазовой скорости распространения радиоволн и времени распространения сигнала по радиотрассам между двумя станциями цепи и потребителем с неизменными расстояниями D и D', равными например 1200 и 300 км соответственно. Опираясь на (2) и зависимость

(6)

где - поправка на подстилающую поверхность, в ходе исследований установлено, что исследуемые величины принимали значения в пределах:

- 299614639 - 299699696 м/с;

- 4,004008 - 4,005145 мс;

- 1,001002 - 1,001286 мс.

В свою очередь, подобное изменение фазовой скорости и времени распространения сигналов может вызвать возникновение ошибки определения местоположения потребителя около 250 м.

Полученное значение показателя говорит о том, что ошибка местоопределения не превышает ширины фазовой дорожки, эквивалентной 1500 м и позволяет устранить многозначность фазовых отсчетов.

Дальнейшие измерения в ИФРНС, производятся по фазовому методу в пределах однозначности фазовых отсчетов, в ходе которых значению навигационного параметра ставится в соответствие выражение, содержащее разность фаз принимаемых сигналов. Следовательно, задача определения разности расстояний сводится к определению разности фаз принимаемых сигналов

,(7)

где - разность фаз;

-угловая частота;

- разность расстояний между потребителем и станциями системы;

- навигационный параметр.

С учетом

,(8)

формулы (7) и вычисленных значений , определяем разность фаз при граничных значениях параметров атмосферы, которые составляют около 0,5 рад. Это свидетельствует о том, что ошибка определения навигационного параметра имеет то же порядок, что и в импульсном методе.

Используемые для оценки архивы метеорологических наблюдений [13] представляют собой полный набор результатов периодических измерений (8 измерений в сутки, более 2900 измерений в год), интересующих нас параметров, проведенных в строго определенных местах. При этом следует понимать, что рассматриваемые нами параметры имеют различные и не всегда однозначно определяемые законы распределения [12, 14]. Это вызвано широтно-сезонным изменение поступления солнечной радиации, изменением характера поглощения и отдачи тепла подстилающей поверхностью, поглощением тепла непосредственно в атмосфере и т.д. Поэтому оценку вероятности наступления такого события, когда параметры атмосферы примут одно из критических значений, рассматриваемых выше, производили с использованием статистической вероятности, которая при больших количествах статистических экспериментальных данных достаточно достоверно характеризует параметры закона распределения рассматриваемых величин.

Проведенные вычисления показали, что наступление такого события, когда параметры атмосферы примут одно из критических значений, может произойти с вероятностью, составляющей 0,000019, т.е. его можно считать практически невозможным. Однако, вероятность того, что, например температура воздуха примет значения от минус 10 до плюс 25 составляет уже не менее 0,87. Такова же вероятность события, когда относительная влажность примет значения от 50 до 100 %, а атмосферное давление от 1000 до 1028 гПа. Колебания параметров атмосферы в этих пределах может вызвать ошибку измерения навигационного параметра до 120 м. Вероятность того, что ошибка может достичь этого значения, при условии независимости рассматриваемых событий, составляет около 0,66.

Следовательно, практическая необходимость учета состояния атмосферы в алгоритме решения навигационной задачи существует. Справедливости ради, следует отметить, что точность измерения навигационных параметров зависит далеко не только от условий распространения радиоволн и характеризуется ошибками измерений, которые могут носить, как систематический, так и случайный характер. Случайные ошибки возникают в процессе измерений при воздействии на условия работы систем большого числа случайных факторов, суммарное воздействие которых учесть не представляется возможным. Систематические ошибки измерений навигационных параметров обусловлены влиянием постоянно действующих факторов. Их появление при измерениях происходит из-за недостаточного знания условий и характера работы ИФРНС [8].

По мере накопления опыта и уточнения условий работы конкретных цепей ИФРНС может быть построена система поправок, учитывающая систематические ошибки и позволяющая повысить точность работы систем дальней радионавигации. До тех пор, пока не создана система поправок, адекватно учитывающая систематические ошибки, их можно рассматривать только как случайные.

Некоторые специалисты предлагают для приблизительной оценки точностных параметров ИФРНС в любой точке рабочей области [8, 9] использовать соотношение, в котором точность определения координат местоположения потребителя может превышать коэффициент, характеризующий геометрический фактор системы в 30 раз (если поправки на условия распространения радиоволн определены и уточнены) и в 100 раз (без учета поправок).

Потенциальные возможности ИФРНС по обеспечению точности навигационных измерений с учетом совокупности воздействий обуславливающих ошибки этих измерений конечно не должны оставлять иллюзий о степени влияния ошибок, вызванных изменением условий распространения радиоволн на суммарную ошибку. Поэтому в данном случае важную роль, вероятно, будут играть такие факторы, как ресурсоемкость мероприятий, выполняемых в интересах учета условий распространения радиоволн при решении навигационной задачи.

В целом повышение стабильности и точности работы ИФРНС требует проведения большого объема работ по калибровке их параметров с учетом конкретных условий распространения радиоволн, состояния подстилающей поверхности, географических районов использования и др. [8].

Очевидно, что проводимые в интересах повышения живучести системы навигационного обеспечения опытно-конструкторские работы по созданию мобильных (подвижных) ИФРНС и потребительской аппаратуры ИФРНС вероятно вскроют проблему необходимости создания эффективной системы поправок для Республики Беларусь, применимой для различных вариантов построения позиций ИФРНС. Ее использование при автономном применении мобильных (подвижных) ИФРНС может значительно повлиять на показатели живучести системы в целом и предопределить показатели боеспособности для потребителей навигационной информации, критичных к ее использованию в экстремальных условиях (режим территориального селективного доступа ГНСС, неблагоприятная помеховая обстановка для сигналов ГНСС, отсутствие или неисправность инерциальных навигационных систем и т.п.).

Попытки создания системы (модели) поправок предпринимались ранее неоднократно, в которых использовались как строгие аналитические, так и полуэмпирические методы. Особенностью их является требование достаточно точного знания характеристик подстилающей поверхности. Основу системы поправок составляют таблицы оптимальных значений скоростей распространения радиоволн и дополнительных поправок к задержкам излучения ведомых станций. Но существующие системы поправок создавались применительно к действующим цепям ИФРНС, при этом районная система поправок разработана путем разбития рабочей зоны поверхностного сигнала ИФРНС на районы, размеры которых составляют 4? по широте и 6? по долготе. Для этих районов определены оптимальные значения скорости распространения радиоволн и дополнительные поправки к задержкам излучения соответствующих ведомых станций.

Учитывая, что практически вся территория Республики Беларусь «укладывается» в район размером 5? по широте и 10? по долготе, очевидно, что речь идет о необходимости создания высокоточной зональной системы поправок, в основном для использования в ходе боевого применения подвижных (мобильных) ИФРНС в особый период.

До момента создания высокоточной системы поправок, а так же для областей применения навигационно-временных технологий, менее критичных к точностным параметрам ИФРНС, возможно применение одного из альтернативных способов компенсации влияния условий распространения радиоволн: использование в приемоизмерителях миниатюрных метеодатчиков, возможность ручного ввода поправок оператором, получение вычисленных поправок в составе навигационного сигнала и т.п. Наиболее простым, очевидно можно считать способ, который носит в большей степени организационный, чем технический характер. Он состоит в периодической калибровке приемоизмерителя (с установленной для конкретного сезона периодичностью), которую можно осуществлять непосредственно в подразделениях (воинских частях) их эксплуатирующих в специально оборудованных, имеющих геодезическую привязку местах. Этот способ по своей сути представляет собой не что иное, как реализацию дифференциального режима эксплуатации ИФРНС и сводится к определению задержек излучения ведомых станций по данным измерения радионавигационного параметра к точке с известными геодезическими координатами. Данный способ определения исходных данных на применение системы ИФРНС устраняет ошибки связанные с изменением условий распространения радиоволн и синхронизации наземных станций системы, а также может быть использован для оперативной калибровки вновь развернутой системы.

Исходные данные, полученные таким способом, обеспечивают увеличение точности местоопределения потребителя на удалениях до 250 км от места измерения радионавигационного поля и могут использоваться на срок около 1-3 дней, в зависимости от периода года [1]. Для повышения надежности полученных таким образом исходных данных возможно проведение измерений провести на 2-3 различных точках. В качестве обязательного условия следует отметить - благоприятную помеховую обстановку. Зоны с повышенным уровнем помех должны выявляться заблаговременно, по оценке работы системы автопоиска и вероятности устранения многозначности отсчета приемоиндикатора. Зоны, в которых вероятность устранения многозначности отсчетов менее 0,98 или время автопоиска сигналов наземных станций больше 6 мин, считаются зонами с повышенным уровнем помех.

В заключении следует отметить, что в ходе, проводимой в Республике Беларусь работы по созданию Единой системы навигационно-временного обеспечения, региональной дифференциальной подсистемы следует принимать все возможные меры по повышению живучести системы навигационного обеспечения военных действий, а в частности повышению точности навигационных измерений с использованием сигналов радионавигационных систем, работающих в автономном режиме.

С этой целью целесообразно провести исследования, направленные на построение модели поправок к параметрам распространения радиоволн в зависимости от климатических условий.

При предъявлении тактико-технических требований к разрабатываемой приемоизмерительной аппаратуре ИФРНС, следует учитывать необходимость обеспечения возможности ее калибровки с целью устранения ошибок, связанных с изменением условий распространения радиоволн, синхронизации наземных станций системы, а также при использовании системы мобильных (подвижных) ИФРНС на вновь занятых позициях. В ходе разработки и внедрения новой приемоизмерительной аппаратуры ИФРНС в организационно-технических документах необходимо определять порядок учета поправок к условиям распространения радиоволн различными категориями потребителей.

Литература

1. Радиотехнические системы обеспечения полетов авиации: Особенности построения и функционирования, требования к параметрам и перспективы развития: учебное пособие. Иванюк В.С., Кульпанович А.П., Федукевич С.А. - Мн.: ВА РБ, 2008.

2. Соловьев Ю.А. Спутниковая навигация и ее приложения. - М.: ЭкоТрендз, 2003.

3. Бъюкерс Д.М. Противоречия между гражданскими и военными потребителями спутниковых систем, используемых в целях позиционирования и навигации / Сборник трудов Международной конференции «Планирование глобальной радионавигации» «Навигация-95» / Том I. - М.: Научно-технический центр «Интернавигация», 1995.

4. Жолнеров В.С., Зарубин С.П., Писарев С.Б., Царев В.М. Уязвимость спутниковых навигационных систем при воздействии непреднамеренных и преднамеренных помех и перспективы повышения надежности координатно-временного обеспечения // Новости навигации. - 2004. - № 1.

5. Разработка облика навигационно-топографической службы Вооруженных Сил до 2020 года. Шифр «Облик-ТН»: Заключительный отчет о НИР/ НИИ ВС РБ. - Мн., 2008.

6. Создание системообразующих средств навигационного обеспечения на базе спутниковых и наземных радионавигационных систем. Шифр «Система - РНС»: Пояснительная записка к эскизному проекту по ОКР / УП «СКБ Камертон». - Мн., 2006.

7. Писарев С.Б., Борисов А.И., Хотин А.Л. Радионавигационное обеспечение России на пороге XXI века: импульсно-фазовые радионавигационные системы LORAN-C и «ЧАЙКА» как необходимые компоненты глобального интегрированного радионавигационного поля // Технологическое оборудование и материалы. - 1998. - №6.

8. Радиотехнические системы дальней навигации: учебное пособие. - М.: Воениздат, 1975.

9. Оборудование и эксплуатация мобильной радионавигационной станции дальнего действия РСДН-10: учебное пособие. - М.: Воениздат, 1990.

10. Теоретические основы радиолокации: учебное пособие. Под ред. Ширмана Я.Д. - М.: Советское радио, 1970.

11. Черный Ф.Б. Распространение радиоволн. - М.: Советское радио, 1972.

12. Атмосфера (справочные данные, модели): справочник. - Л.: Гидрометеоиздат, 1991.

13. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.pogoda.by/ziparhiv.mht.

14. Каткова Т.Ф. О типах распределения относительной влажности воздуха в совокупности за год в различных районах земного шара // Труды ВНИИГМИ - МЦД. - 1983. - № 105.