Обзор современных систем спутниковой навигации

Радионавигационное поле СРНС ГЛОНАСС наряду с основной функцией (глобальная оперативная навигация приземных подвижных объектов) позволяет проводить: локальную высокоточную высокоточную навигацию приземных подвижных объектов (сухопутных, морских, воздушных) на основе дифференциальных методов навигации с применением стационарных наземных коректирующих станций и космических аппаратов; высокоточную взаимную геодезическую «привязку» удаленных наземных объектов; взаимную синхронизацию стандартов частоты и времени на удаленных наземных объектах; автономную навигацию низкоорбитальных и среднеорбитальных космических объектов; определение ориентации объекта на основе радиоинтерферометрических измерений на объекте с помощью навигационных радиосигналов, принимаемых разнесенными антеннами.

ГЛОНАСС включает в себя три сегмента: космический с орбитальной группировкой (ОГ) НКА; управления - наземный комплекс управления (НКУ) орбитальной группировкой НКА; НАП - аппаратуры пользователей.

Космический сегмент.

Полная орбитальная группировка (ОГ) в ГЛОНАСС содержит 24 штатных НКА на круговых отбитах с наклонением i=64,8° в трех орбитальных плоскостях по восемь НКА в каждой. Долготы восходящих узлов трех орбитальных плоскостей различаются номинально на 120°. Номинальный период обращения НКА равен 11ч 15мин 44с, и, соответственно, номинальная высота круговой орбиты составляет 19100 км над поверхностью Земли. В каждой орбитальной плоскости восемь НКА разнесены по аргументу широты номинально через 45°, и аргументы широты восьми НКА в трех орбитальных плоскостях сдвинуты на +15°. За время эксплуатации НКА на орбите (до пяти лет) реальные положения НКА в ОГ могут отличаться от номинальных не более чем на +5°.

4.3 Навигационный космический аппарат

Основу НКА составляет цилиндрический гермоконтейнер диаметром 1,35м, в котором размещаются служебные системы и специальная аппаратура. С выдвинутой (раскрытой) штангой магнитометра его длина составляет 7,84м. На «нижнем» (в положении штатной ориентации) днище НКА смонтирована платформа с антенно-фидерными устройствами и панелью уголковых отражателей; на «верхнем» - топливные баки и штанга магнитометра. На боковой поверхности гермоконтейнера закреплены два привода системы одноосной ориентации солнечных батарей, два раскрывающихся на орбите радиатора системы терморегуляция, два блока двигателей и датчики ориентации. Питание всех подсистем производится от солнечных батарей ширина которых в раскрытом виде составляет 7,23м. Общая масса составляет1415 кг, конструкции - 237 кг.

В число систем НКА входят:

-бортовой навигационный передатчик (БНП), хронизатор (БХ) («часы»), управляющий комплекс (БУК), система ориентации и стабилизации (СО), коррекции, электропитания (СЭП), терморегулирования (СТР), средства заправки и обеспечения параметров среды в гермоконтейнере, элементы конструкции и кабельная сеть.

Время активного существования на орбите НКА первого поколения составляет 3 (5) лет, последующих поколений составит 10 и более лет.

Аппаратура НКА предназначена для выполнения следующих основных функций:

-излучения высокостабильных навигационных сигналов стандартной и высокой точности (СТ и ВТ соответственно) в дециметровом диапазоне волн без преднамеренного ухудшения характеристик;

-приема, хранения, формирования и передачи навигационной информации (данных);

-формирования, оцифровки, хранения и передачи сигналов времени;

-ретрансляции или излучения сигналов для радиоконтроля орбиты спутника и определения поправок к бортовой шкале времени;

-приема, квитирования, дешифровки и отработки разовых команд;

-приема, запоминания и отработки программ управления режимами функционирования спутника на орбите;

-формирования телеметрических данных о состоянии бортовой аппаратуры и передачи их в наземный комплекс управления (НКУ);

-приема и обработки кодов коррекции и фазирования бортовой шкалы времени;

-выработки и передачи сигналов «Вызов НКУ» при сбое или выходе важных контролируемых параметров за пределы нормы;

-анализа и контроля состояния бортовой аппаратуры (совместно с НКУ) и выработки управляющих команд, а также сигналов «исправности» (целостности).

В системе ГЛОНАСС каждый штатный НКА в ОГ постоянно излучает шумоподобные непрерывные навигационные радиосигналы в двух диапазонах частот 1600 МГц и 1250 МГц . В НАП навигационные измерения в двух диапазонах частот позволяют исключить ионосферные погрешности навигационных определений.

Каждый НКА имеет цезиевый АСЧ с относительным отклонением среднесуточных значений частоты (СКО) (2…4)*10-13, используемый для формирования бортовой шкалы (БШВ) и навигационных радиосигналов диапазонов 1600 МГц и 1250 МГц.

4.4 Навигационные сигналы

Шумоподобные навигационные радиосигналы НКА различаются несущими частотами. Поскольку для взаимноантиподных НКА в орбитальных плоскостях можно применять одинаковые несущие частоты, то для 24 штатных НКА минимально необходимое число несущих частот в каждом диапазоне равно 12. Данное утверждение справедливо для приземных потребителей (сухопутных, морских, воздушных), поскольку в зоне радиовидимости приземного потребителя не мо-гут одновременно находиться взаимно антиподные НКА. Космический потребитель может одновременно «видеть» взаимноантиподные НКА. Однако имеются два благоприятных обстоятельства.

Из двух взаимноантиподных НКА хотя бы один будет находиться ниже местного горизонта по отношению к космическому потребителю. Практически невозможно применить на космическом объекте одну широконаправленную антенну, способную принимать навигационные радиосигналы от всех «видимых» НКА выше и ниже местного горизонта. Поэтому в НАП на космическом объекте применяют: либо одну широконаправленную антенну для приема навигационных радиосигналов от НКА, находящихся выше местного горизонта; либо несколько антенн и несколько приемников для приема навигационных радиосигналов от НКА, находящихся выше и ниже местного горизонта.

В обоих вариантах НАП на космическом объекте будет осуществлять эффективную пространственную селекцию навигационных радиосигналов от взаимноантиподных НКА.

В сеансе навигации НАП осуществляется поиск несущей частоты каждого принимаемого навигационного радиосигнала в пределах узкой полосы (1кГц) около прогнозируемого значения с учетом доплеровского сдвига несущей частоты. Доплеровский сдвиг может иметь максимальные значения +5 кГц в НАП на приземных объектах и +40 к Гц в НАП на низкоорбитальных КА. Следовательно, в НАП КА осуществляется эффективная доплеровская селекция навигационных радиосигналов радиовидимых НКА.

Таким образом, навигационные радиосигналы взамноантиподных НКА с одинаковыми несущими частотами будут надежно разделены в НАП КА за счет пространственной и доплеровской селекции.

Средства запуска НКА.

Для запуска НКА ГЛОНАСС используется ракета-носитель «Протон-К».

Длительность выведения на начальную орбиту составляет около 4ч 10мин. После выведения по команде, выдаваемой разгонным блоком непосредственно после выключения двигательной установки (ДУ), включается электропитание некоммутируемых шин питания и дежурные схемы НКА. Через 15с после этого система управления РБ выдает команду на отделение спутников. Эта операция осуществляется для трех НКА одновременно с их закруткой со скоростью не более 27°/с. Далее проводится ориентация НКА, включение их систем и т.д. Такая начальная фаза функционирования может иметь продолжительность от 5 до 12 витков.

Запуск каждой тройки НКА ГЛОНАСС всегда осуществляется в одну из рабочих позиций, в которой остается один из запускаемых НКА. Два других разводятся в соседние рабочие точки. При этом возможен предварительный перевод уже работающего НКА в новую рабочую точку. Перевод каждого спутника в заданную точку проводится с помощью корректирующей двигательной установки (КДУ), состоящей из двух симметричных блоков.

Приведение НКА в заданную орбитальную позицию осуществляется в несколько этапов. Время, затрачиваемое на все операции, составляет от одной недели до месяца. После завершения всей программы приведения НКА в заданное положение с требуемой точностью производится окончательной уточнение параметров орбиты, высокоточная синхронизация БШВ, расчет временных поправок и закладка их на борт. После этого НКА может использоваться по своему целевому назначению. Точность приведения НКА в заданную рабочую точку орбиты составляет: по периоду обращения 0,5 с; по аргументу широты 1°; по эксцентриситету +0,01; по наклонению орбиты +0,03°.

Наземный комплекс управления.

Наземный комплекс управления (НКУ) орбитальной группировкой НКА выполняет четыре группы задач: 1) эфемеридное и частотно-временное обеспечение НКА; 2) мониторинг радионавигационного поля; 3) радиотелеметрический мониторинг НКА; 4) командное и программное радиоуправление функционированием НКА.

НКУ содержим следующие взаимосвязанные стационарные элементы: центр управления системой (ЦУС); центральный синхронизатор (ЦС); командную станцию слежения (КСС); контрольные станции (КС); систему контроля фаз (СКФ); квантово-оптические станции (КОС); аппаратуру контроля поля (АКП).

НКУ выполняет следующие функции: 1) проведение траекторных измерений для определения, прогнозирования и непрерывного уточнения параметров орбит всех спутников; 2) времен-ные измерения для определения расхождения бортовых шкал времени всех НКА с системной шкалой времени системы, синхронизация БШВ каждого НКА с временной шкалой ЦС и службы единого времени (СЕВ) путем фазирования и коррекции БШВ; 3) формирование массива служебной информации (навигационных сообщений), содержащего спрогнозированные эфемериды, альманах и поправки к БШВ каждого НКА и другие данные, необходимые для формирования навигационных кадров; 4) передача (закладка) массива служебной информации в память бортовой ЭВМ каждого НКА и контроль за его прохождением; 5) контроль по телеметрическим каналам за работой бортовых систем НКА и диагностика их состояния; 6) контроль информации в навигационных сообщениях НКА, прием сигнала вызова НКУ; 7) управление полетом спутников и работой их бортовых систем путем выдачи команд управления и передачи на борт прохождения этих данных; 8) контроль характеристик навигационного поля; 9) определения сдвига фазы дальномерного навигационного сигнала НКА по отношению к фазе сигнала ЦС; 10) планирование работы всех технических средств НКУ, автоматизирования обработка и передача данных между элементами НКУ.

Точность

В настоящее время точность определения координат системой ГЛОНАСС несколько отстает от аналогичных показателей для GPS.

Согласно данным СДКМ на 18 сентября 2012 года ошибки навигационных определений ГЛОНАСС (при p=0,95) по долготе и широте составляли 3-6 м при использовании в среднем 7--8 КА (в зависимости от точки приёма). В то же время ошибки GPS составляли 2,00--4,00 м при использовании в среднем 6--11 КА (в зависимости от точки приёма).

При совместном использовании обеих навигационных систем ошибки составляют 2-3 м при использовании в среднем 14--19 КА (в зависимости от точки приёма).

Согласно заявлениям главы Роскосмоса Анатолия Перминова, принимались меры по увеличению точность.

Система ГЛОНАСС определяет местонахождение объекта с точностью до 3,0 м, но после перевода в рабочее состояние двух спутников коррекции сигнала системы «Луч» точность навигационного сигнала ГЛОНАСС возрастёт до одного метра. (Ранее система определяла местонахождение объекта лишь с точностью до 50 м).

Россия начала работы по размещению станций системы дифференциальной коррекции и мониторинга для повышения точности и надёжности работы навигационной системы ГЛОНАСС за рубежом. Первая зарубежная станция уже построена и успешно функционирует в Антарктиде, это станция «Беллинсгаузен». Тем самым обеспечены необходимые условия для непрерывного глобального мониторинга навигационных полей космических аппаратов ГЛОНАСС. Текущая сеть наземных станций насчитывает 14 станций в России и одну станцию в Антарктиде. Развитие системы предусматривает развёртывание восьми дополнительных станций на территории России и пяти станций за рубежом (дополнительные станции будут размещены в таких странах, как Куба, Бразилия, Вьетнам, Австралия, и ещё одна дополнительная будет размещена в Антарктиде).

При этом использование обеих навигационных систем уже сейчас даёт существенный прирост точности. Европейский проект EGNOS, использующий сигналы обеих систем, даёт точность определения координат на территории Европы на уровне 1,5--3 метров.

Текущее состояние.

Состав группы КНС ГЛОНАСС на 05 марта 2013 года:

Всего в составе ОГ ГЛОНАСС: 29 КА

Используются по целевому назначению: 24 КА

На этапе ввода в систему: 0 КА

Временно выведены на техобслуживание: 2 КА

Орбитальный резерв: 2 КА

На этапе летных испытаний: 1 КА

4.5 Модернизация

Согласно программе модернизации системы ГЛОНАСС, действующей до 2020 года:

В 2002 году был осуществлён переход на обновлённую версию геоцентрической системы координат ПЗ-90 -- ПЗ-90.02.

С 2004 года запускаются новые КА Глонасс-М, которые транслируют два гражданских сигнала на частотах L1 и L2.

В 2007 году проведена 1-я фаза модернизации наземного сегмента, вследствие чего увеличилась точность определения координат.

Во 2-й фазе модернизации наземного сегмента на 7 пунктах наземного комплекса управления устанавливается новая измерительная система с высокими точностными характеристиками. В результате этого к концу 2010 года увеличится точность расчета эфемерид и ухода бортовых часов, что приведёт к повышению точности навигационных определений.

Начиная с 2010 года начинается постепенное введение КА Глонасс-К, в которых реализованы дополнительные сигналы в формате CDMA, что облегчит разработку мультисистемных навигационных приборов, так как похожие сигналы используются в навигационных системах GPS/Galileo/Compass. Развертывание новых КА начнется с двух КА «Глонасс-К1» в декабре 2010 года, в которых будет тестироваться новый открытый сигнал в диапазоне L3.

В 2011 году планируется завершение модернизации наземного комплекса управления. Результатом программы модернизации спутников и наземных комплексов станет увеличение точности навигационных определений системы ГЛОНАСС в 2-2,5 раза, что составит порядка 2,8 м для гражданских потребителей.

На 2013--2014 годы намечен запуск усовершенствованного спутника КА «Глонасс-К2», доработанного по результатам испытаний КА «Глонасс-К1». В дополнение к открытому сигналу в диапазоне L3, появится открытый сигнал в диапазоне L1.

В 2015--2017 годах появится усовершенствованный спутник «Глонасс-КМ», характеристики которого находятся в стадии изучения; предположительно, в новых спутниках будет использоваться до 5 открытых и до 2 зашифрованных сигналов с кодовым разделением.

После полного перехода на CDMA-сигналы предполагается постепенное увеличение количества КА в группировке с 24 до 30, что, возможно, потребует отключения сигналов FDMA. Рассматриваются варианты с запуском дополнительных спутников повысокоэллиптической орбите типа «Молния» или «Тундра», что должно обеспечить более высокую доступность в отдельных регионах за счёт дифференциальной коррекции сигналов ГЛОНАСС от основных спутников.



5. Спутниковая радионавигационная система Галилео

Проект системы Галилео разрабатывается по инициативе ЕС и Европейского космического агентства (ЕКА). Он предусматривает создание и обеспечение функционирования глобальной СРНС под гражданским управлением. Дополнительно к проекту Галилео разработан инициативный проект ЕКА, Галилеосат, относящийся к космическому сегменту и наземному контуру управления. Общие принципы функционирования и состав системы аналогичны принципам работы и составу систем ГЛОНАСС и GPS с дополнениями.

Структура системы.

По данным некоторых источников система Галилео должна включать глобальный (космический), региональный и локальный сегменты, а также сегмент потребителей.

Первоначально предполагалось, что СРНС должна основываться на 21 или более средне-орбитальном космическом аппарате (СКА). Эта группировка могла дополняться тремя геостационарными космическими аппаратами (ГКА). Рассматривается также несколько отличный состав группировки Галилео, включающий 32 СКА и 9 ГКА. Соответствующая наземная инфраструктура включает глобальную сеть станций мониторинга, объединяемую совместно с наземными станциями передачи данных (НСПД) на ГКА в единую систему управления. Приводятся уточненные показатели орбитальной группировки, которая может состоять из 24 СКА и 8 ГКА или из 30 СКА. Высота СКА примерно 23616 км, наклонение орбит 56°, период 14 часов 4 минуты. Масса НКА 650кг; в качестве средств запуска рассматриваются ракеты Ариан, Протон и Союз.

Предполагается, что Галилео строится на принципах открытой архитектуры, будет взаимодействовать с GPS и, возможно, с ГЛОНАСС.

Региональный сегмент системы включает дополнения, разрабатываемые в соответствии со специальными требованиями: ШДПС EGNOS, РДПС типа GRAS, а локальный - ЛДПС типа LASS. Предусматривается взаимодействие с системами спасения Коспас-Сарсат, мобильной связи типа GSM, UMTS и др. Зона действия Галилео должна быть глобальной, а созвездие НКА - оптимизировано для обслуживания стран, находящихся в высоких широтах.

Характеристики сигналов.

Рабочие частоты Галилео по техническим соображениям выбираются, в соответствии с степени сигналами ГЛОНАСС и GPS. В таблице 6.1. сведены характеристики сигналов.

Таблица 6.1. Характеристики сигналов Галилео.

Наиме-нование сигнала	Несущая частота, МГц	Мощность, дБВт	Сигнал/спек-тральная плотность шума, дБГц	Модуляция	Скорость передачи данных (символ/с)	Полоса частот, МГц
E5a(L5)	1176.45	-155	50	QPSK(10)	50	24
E5b	1207.14	-155	50	QPSK(10)	250	24
E6	1278.75	-155	50	BPSK(5)	1000	40
E1, E2(L1)	1575.42	-155	50	BOC(2.2)	250	32

В системе Галилео планируется новая структура сигналов, отличающаяся, в частности, от структуры сигналов систем ГЛОНАСС и GPS более высокой тактовой частотой, что повысит потенциальную точность измерения псевдодальностей и скорость передачи потребителям навигационной информации. В совокупности с геометрией расположения навигационных спутников, благоприятной для более равномерного расположения рабочих зон навигации по земному шару, это будет способствовать достижению в глобальном масштабе более высоких характеристик по точности и доступности навигационного обеспечения потребителей.

Основные требования и характеристики системы.

Точность определения навигационных параметров Галилео должна существенно превосходить точность общедоступного канала GPS. Галилео должна обеспечивать местоопределение всех потребителей с точностью в несколько метров. По данным других источников погрешности (2 СКО) определения (совместно с GPS) плановых координат должны быть не более 10м при доступности не менее 0,96 и угле места (УМ) спутника более 35°. Ошибки (2 СКО) определения высоты должны составить не более 4м при доступности 0,99999 и УМ 5°. Такие характеристики должны удовлетворить требованиям посадки воздушных судов по 1-й категории. С локальными дополне-ниями точность местоопределения над сушей и в прибрежных водах должна быть не хуже 0,5м (2 СКО) при доступности 0,99999 и УМ15°.

Требования к Галилео сформулированы позднее и характеризуются табл. 6.2.

При этом считается, что основной уровень обслуживания будет общедоступным. Уровень контролируемого доступа обеспечивается только для зарегистрированных потребителей.

Система Галилео должна удовлетворять требованиям международных организаций (ИМО, ИКАО и др.) по обеспечению безопасности. Зарегистрированным потребителям будет гарнтироваться компенсация потерь из-за отказа в системе.

Предполагается, что Галилео дополнительно будет включать функции обмена данными, что позволит в большей мере использовать ее для нужд управления движением в реальном времени.



Таблица 6.2. Требования к системе Галилео.

Уровень обслуживания	Открытый доступ, глобально	Контролируемый доступ 1	Критические по безопасности и правительственные применения
		глобально	локально	глобально	локально
Точность (95%) определения: координат, м скорости, см/с времени, нс	6 20 0,1*109	6 20 100	0,8 - -	4 20 100	1 - -
Непрерывность: длительность отказа, мин частота отказов, 1/ч вероятность отказа	1 1 -	1 1 -	- - -	- - 10-4/ч	- - 4*10-6/15 с
Целостность: риск Время предупреждения, с горизонтальный предел тревоги, м	- - -	10-7 10 20	10-7 1 2	10-7 10 13	10-9/150 с 1 3
Доступность, %	99	99	-	99,9	-

Галилео должна образовать совместно с модернизированными системами GPS и ГЛОНАСС перспективную Глобальную навигационную спутниковую систему (ГНСС). Галилео, GPS и ГЛОНАСС будут независимыми, но совместимыми и взаимодействующими системами, совместное использование которых должно обеспечить для многих применений требуемые характеристики обслуживания.

Показатели табл. 6.2. близки к приведенным выше точностным и надежностным характеристикам, но более разнообразны. Они представляют результат развития концепции системы. Многие показатели в процессе работы над системой могут изменяться и уточняться.

Организационные и технико-экономические показатели.

Для Галилео предусматривается три уровня управления: 1) политический и стратегический уровень, при котором руководство осуществляется органами ЕС; 2) уровень управления программой создания системы; 3) уровень управления посредством создания частно-общественной компании, ответственной за освоение и функционирование системы.

Предусматривается, что Галилео будет находиться под гражданским контролем. В то же время ее использование планируется для традиционных объектов и для специальных потребителей, обеспечивающих безопасность, как полиция, служба предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций и т.д. Это позволяет предположить, что в Галилео наряду с открытым сигналом будет реализован и закрытый сигнал, как в системах ГЛОНАСС и GPS.

В процессе разработки принимается во внимание, что за последние годы максимум потребностей в навигационных услугах смещается из сферы авиации и морского флота в область обслуживания движения сухопутных транспортных средств. Доля последней может составлять примерно 77% в то время, как доли гражданской авиации, морского флота и железнодорожного транспорта не превысят 1 % каждая. При этом учитывается стремительный рост интенсивности дорожного движения. Использование спутниковых технологий рассматривается как способ обеспечения ограниченного доступа к специальным транспортным сетям посредством лицензирования или взимания соответствующей платы за услуги, что, в частности, может оказаться эффективным средством уменьшения транспортных потоков в городах и стимулом использовать общественный транспорт. Управление общественным и частным транспортом позволит диспетчеру регулировать интенсивность его движения и планировать необходимые мероприятия. Системы оповещения об авариях будут передавать координаты места аварии. Соответствующие технические средства в будущем окажутся для каждого автомобиля вполне стандартным.

Существует широкая область нетранспортных применений системы Галилео. Это и сельское хозяйство, и обеспечение работ на шельфе и в открытом море, а также геодезические работы на сухопутных территориях. Большие перспективы имеет развитие рынка определения точного времени в первую очередь для обеспечения систем связи, а также точной стандартизации частоты мощных энергосистем.

Применение Галилео в гражданской авиации связывается в первую очередь с совершенствованием управления воздушным движением, уменьшением протяжности маршрутов, ускорением доступа в аэропорты и, в конечном счете, с более эффективным использованием воздушных судов и наземной инфраструктуры. Галилео позволит обеспечить заход на посадку в большинстве аэропортов в соответствии с требованиями 1-й категории, повысить безопасность пассажиров и значительно уменьшить стоимость наземной инфраструктуры.

Применение Галилео повысит безопасность мореплавания, эффективность управления рыболовецкими сейнерами так же, как контейнеровозами и спасательными судами. Предусматривается использование Галилео для обеспечения сигнализации и контроля движения поездов на железнодорожном транспорте.

Макроэкономические выгоды от создания Галилео складываются из продаж внутри ЕС, экспорта аппаратуры потребителей и обеспечения различных служб с учетом занятости собственной промышленности. Проведена оценка эффективности для двух сценариев развития СРНС: использование Галилео и GPS и использование только GPS.

Галилео обеспечит Европе более широкие социальные преимущества. Так, уменьшение времени прохождения маршрута наземным транспортом на 1% приведет к снижению интенсивности движения, уменьшению загрязнения окружающей среды и количества аварий и к дополнительным выгодам общей стоимостью в 200млрд. евро.

В целом, работы по Галилео рассматривается в качестве ключевого фактора успешного развития европейской промышленности в 21-м столетии. Они обеспечат суверенитет ЕС в области транспорта и в других жизненно важных областях, поскольку система будет находиться под собственным управлением. Галилео рассматривается также как средство, обеспечивающее вхождение европейских производителей аппаратуры в огромный мировой рынок, в котором к настоящему времени доминируют американские кампании.

В качестве источников финансирования рассматриваются: бюджет ЕС (транспортные программы и программа Галилеосат ЕКА), возвратные поступления, общественное и частное сотрудничество. Согласно текущим планам Галилео должна достичь полной работоспособности в конце 2008г. Начало передачи сигнала приходится на 2005г.

Характерно, что этап оценки и испытаний системы с 3-5 спутниками будет частично совпадать с этапом серийного производства и опытного использования.

На заседании Совета министров транспорта ЕС 17 июня 1999г. принято решение о поддержке работ по проекту Галилео с выделением 40 млн. евро из фонда ЕС для завершения в конце 2000г. предварительной фразы по определению основных характеристик. Проведены дополнительные консультации с США и Россией с целью изучения возможностей взаимодействия Галилео с системами ГЛОНАСС и GPS. Ряд других стран изучает вопросы сотрудничества с ЕС в части GNSS-1 (EGNOS) и GNSS-2 (Галилео).

Сообщалось, что в декабре 1999г. ЕКА подписало контракт по проекту Галилеосат, являющемуся частью работ, выполняемых ЕКА на этапе принятия решения по программе Галилео. Контракт по проекту Галилеосат, стоимостью 20 миллионов евро, состоял в определении облика космического сегмента Галилео (спутниковая группировка) и соответствующих наземных сегментов. Этот контракт выполняется промышленным консорциумом, возглавляемым компанией «Alenia» (Италия), включающим более чем 50 европейских субподрядчиков.

После выполнения предварительных изысканий в марте 2002 года было принято решение о полномасштабном развертывании работ по проекту Галилео. Финансирование начального этапа обойдется в 1,1 млрд. евро, а общая стоимость системы по данным Pricewaterhouse Coopers составит 3,2 млрд. евро.



6. Совместное использование сигналов ГЛОНАСС, ГАЛИЛЕО и GPS

Одним из наиважнейших направлений совершенствования спутниковой радионавигации является совместное использование сигналов ГЛОНАСС и GPS, а затем и ГАЛИЛЕО. Основные цели этого процесса - повышение точности и надежности (доступности, непрерывности обслуживания и целостности) навигационных определений.

Наиболее важными предпосылками, обусловливающими необходимость и облегчающими совместное использование СРНС и их интегрирование, служат:

общность принципов баллистического построения обеих систем (высоты орбит 19-23 тыс. км, наклонение , период обращения НКА ч и др.);

общность используемых частотных диапазонов (1560-1605 МГц L1 и 1150-1280 МГц L2 и L5), а также общность сигнально-кодовых конструкций, использующих фазовую манипуляции и псевдослучайные последовательности;

близость уровней мощностей основных сигналов (-163…-152 дБВт), лежащих ниже уровня собственных шумов;

общность принципов синхронизации и измерения навигационных параметров;

близость используемых координат;

практическая одновременность создания и совершенствования ГЛОНАСС и GPS и возможность использования их опыта при разработке ГАЛИЛЕО;

готовность администрации США, России и ЕС предоставить системы для использования различными потребителями мирового сообщества.



6.1 Совместное использование сигналов ГЛОНАСС и GPS

Рассмотрим точностные аспекты совместного использования сигналов ГЛОНАСС и GPS (ГЛОНАСС + + GPS). В табл. 6.1. приведены средние вероятности (Р) наблюдения заданного числа НКА (4) полной группировки ГЛОНАСС и соответствующие геометрические факторы при определении плановых координат (HDOP), высоты (VDOP) и времени (TDOP).

Таблица 6.1. Характеристики наблюдаемости КА ГЛОНАСС

Число НКА	4	5	6	7	8	9
P	1	1	1	1	0,91	0,58
HDOP	1,41	1,26	1,15	1,03	0,95	0,89
VDOP	2,0	1,75	1,70	1,61	1,60	1,55
TDOP	1,13	1,03	1,03	0,95	0,93	0,91

Считая вероятностные характеристики наблюдаемости НКА GPS аналогичными приведенными для ГЛОНАСС, из анализа данных первой строки табл. 6.1 следует, что средняя вероятность нахождения в поле видимости не менее 16 НКА ГЛОНАСС + GPS составляет примерно 0,99, а 18 и более НКА - 0,84.

Таким образом представляется целесообразным проследить дальнейшую тенденцию улучшения геометрических факторов, наметившуюся в расчетах для табл. 6.1. Это тем более имеет смысл вследствие определившегося стремления к увеличению числа каналов аппаратуры потребителей СРНС и дифференциальных станций (до 16-20) и приема сигналов всех НКА, находящихся в поле зрения БА и ДС. В табл. 6.2 приведены рассчитанные усредненные значения геометрических факторов для района г. Москвы, как функции числа используемых при навигационных определениях спутников.



Таблица 6.2. Зависимость геометрических факторов от числа НКА

Число НКА	HDOP	VDOP	TDOP
8 НКА ГЛОНАСС	1,03	1,34	0,80
10 НКА ГЛОНАСС	0,84	1,24	0,72
Все НКА ГЛОНАСС+GPS	0,58	0,84	-

Из табл. 6.2 следует, что использование всех НКА ГЛОНАСС и GPS в дифференциальном режиме или в случае отсутствия селективного доступа к GPS приводит к повышению точности определения координат и высоты примерно в 1,6 и 1,4 раза по отношению к варианту определений по 8 и 10 НКА ГЛОНАСС соответственно.

В табл. 6.3 приведены рассчитанные аналогичным образом усредненные по времени точности определения координат и высоты (СКО) в номинальном и дифференциальном режимах с селективным доступом GPS (СД).

Таблица 6.3. Точности определения координат и высот по ГЛОНАСС и GPS

Режим	Координаты (drms), м	Высоты (СКО), м
Все НКА ГЛОНАСС, н*	9,0	13,5
16 НКА ГЛОНАСС+GPS (СД), н	8,5	12,6
Все НКА ГЛОНАСС+GPS (СД), н	8,4	12,5
Все НКА ГЛОНАСС, д*	1,8	2,6
16 НКА ГЛОНАСС+GPS , д	1,36	1,9
Все НКА ГЛОНАСС+GPS (СД), д	1,24	1,82

*буквы «н» и «д» обозначают номинальный и дифференциальный режимы СРНС соответственно.

Из табл. 6.3 следует, что использование НКА GPS в номинальном режиме с селективным доступом в дополнение к НКА ГЛОНАСС приводит к повышению точности лишь на 5…10% по координатам и на 8% по высоте. Предполагалось, что точности (СКО) измерения псевдодальностей ГЛОНАСС и GPS в номинальном режиме равны 10 и 30 соответственно.

В дифференциальном режиме точности (СКО) определения псевдодальностей предполагались равными 2м для обеих СРНС. Как следует из табл. 6.3, в дифференциальном режиме привлечение измерений GPS приводит к повышению точности по координатам и высоте в 1,3…1,5 раза. Необходимо заметить, что для потребителей, первоначально ориентированных на GPS, использование сигналов ГЛОНАСС дает практически троекратное повышение точности.

Вопросы повышения надежности навигационного обеспечения при совместном использовании КА ГЛОНАСС и GPS исследованы пока меньше. Представляется, что наиболее продвинутыми являются результаты обширного моделирования процесса навигационных определений. В табл. 6.4 и 6.5 приведены полученные оценки доступности функции RAIM (требуется иметь в поле видимости не менее 6 НКА) и максимальной продолжительности нерабочего состояния при использовании только НКА GPS и GPS+ГЛОНАСС.

Таблица 6.4. Доступность СРНС на различных этапах полета ВС, %

Группировка	Полет по маршруту	Аэродромная зона	Неточный заход на посадку
GPS	98,58	96,53	67,26
GPS+ГЛОНАСС (декабрь 1994г)	100	99,99	98,87
GPS+ГЛОНАСС	100	100	100

Таблица 6.5 Максимальная продолжительность нерабочего времени, мин

Группировка	Полет по маршруту	Аэродромная зона	Неточный заход на посадку
GPS	35	70	295
GPS+ГЛОНАСС (декабрь 1994г)	0	15	30
GPS+ГЛОНАСС	0	0	0

По моделированию предполагалось, что при выполнении функции контроля целостности исключающий из решения некондиционный сигнал. Анализ доступности проводился по группировке GPS из 24 НКА и группировке ГЛОНАСС также из 24 НКА, а также по действующей на декабрь 1994г. группировке ГЛОНАСС (15 НКА).

Факт доступности устанавливался в том случае, если при нарушениях подавался сигнал тревоги с вероятностью не менее заданной в течение пролета указанного предельного участника при заданном максимально допустимом уровне вероятности ложной тревоги.

При моделировании использовались исходные данные, сведенные в табл. 6.6.

Таблица 6.6 Условия определения доступности

Этап	Порог срабатывания, км	Максимально допустимая частота ложной тревоги, 1/ч	Максимальная вероятность обнаружения отказа
Полет по маршруту	3,7	0,00003	0,999
Аэродромная зона	1,85	0,00003	0,999
Неточный заход	0,555	0,00003	0,999

Как следует из табл. 6.4, использование GPS совместно с ГЛОНАСС приводит к существенному повышению доступности особенно для неточного (некатегорированного) захода на посадку ( с 67% до 100% ). При этом также исключаются нерабочие состояния, максимальные длительности которых при использовании только GPS составляют от 35 до 295 мин.

Необходимо заметить, что здесь используется несколько необычное понимание доступности системы. Последняя, по существу, проявляется в виде способности обеспечивать выполнение функции контроля целостности.

Оценим возможные точностные характеристики навигационных определений потребителя, опирающегося на ГЛОНАСС, в случае существования орбитальной группировки системы в усеченном варианте, например, 12 НКА (сентябрь 1999 г.). При этом появляются «мертвые зоны», когда навигационные определения по ГЛОНАСС отсутствуют, а также ухудшается точность определения НП за счет ухудшения геометрии НКА ГЛОНАСС и использование более грубых измерений ПД и ПС системы GPS.

6.2 Совместное использование ГЛОНАСС, Галилео и GPS

Как уже отмечалось ранее, работы по созданию Галилео осуществляются с использованием опыта GPS и ГЛОНАСС. Так, в космическом эксперименте Протеус для Галилео на НКА «ГЛОНАСС-М» планируется провести: точное определение орбит и шкал времени с учетом совершенствования существующих моделей, оценку стабильности рубидиевых часов Галилео, оценку ошибок определения ПД для узкополосных и широкополосных сигналов Галилео и частоты ошибок при повышенной скорости передачи данных.

Развернуты работы и по оценке совместного оперативного использования Галилео с существующими системами. Необходимо, однако, заметить, что требование совместной работы c GPS и ГЛОНАСС изначально было основным при основании Галилео. Отмечается, что общие номиналы центральных частот 1575,42 МГц для L1 и E1-E2 и 1176,45 МГц для L5 и E5a облегчат использование потребителями перспективной GNSS. Существует усовершенствованный алгоритм RAIM, использующий сегменты GPS и Галилео, позволяющий получить лучшие характеристики контроля целостности при заходе на посадку в условиях 1-й категории ИКАО.

В пользу интеграции GPS и Галилео высказываются некоторые производители автомобилей. Необходимо указать, что частичное использование Галилео с GPS или ГЛОНАСС уже начинается с использованием EGNOS, как составной части Галилео. Соответствующая аппаратура уже создана.

Проведены также исследования возможности осуществления захода на посадку с вертикальным управлением APV-1, APV-2 с использованием существующей и перспективной GPS, измерений от баровысотометра и Галилео в номинальном режиме (без дополнений) в диапазоне ошибок (СКО) определения псевдодальностей от 5м до 0,5м. Результаты оценки доступности функции контроля целостности RAIM приведены в табл. 6.10 и 6.11. При этом учитывается, что удовлетворение требований по точности представляется вполне вероятным.

Таблица 6.10. Доступность операции захода на посадку при APV-1, %

Созвездие	Точность, СКО, м
	5	3,8	3	2	1	0,5
24 НКА GPS	27,629	58,435	78,124	93,610	99,578	99,886
24 НКА GPS+БВ	36,135	72,157	90,763	99,696	99,999	99,999
30 НКА GPS	68,224	91,196	96,535	99,777	99,999	99,999
30 НКА GPS+БВ	74,998	97,871	99,875	99,875	99,999	99,999
Галилео	61,312	82,710	97,288	99,999	99,999	99,999
Галилео+БВ	67,330	91,712	99,999	99,999	99,999	99,999
Галилео+GPS	99,427	99,991	99,999	99,999	99,999	99,999

Анализ приведенных результатов позволяет считать, что выполнение минимальных требований по доступности (99%, SARPs) для APV-1 возможно достичь при точности определения ПД 5м и использованием СРНС GPS и Галилео. Аналогичный вывод, видимо, можно сделать для использования при этой процедуре GPS и ГЛОНАСС.

Использование этих же созвездий для процедуры APV-2 обеспечивает требуемую доступность при точности определения ПД, равной 2м (табл. 6.11).

Таблица 6.11. Доступность операции захода на посадку при APV-2, %

Созвездие	Точность, СКО, м
	5	3,8	3	2	1	0,5
24 НКА GPS	0	0,183	3,067	27,629	86,281	99,165
24 НКА GPS+БВ	0	0,266	5,148	41,917	96,168	99,999
30 НКА GPS	0	1,570	10,119	57,334	98,744	99,999
30 НКА GPS+БВ	0	1,914	12,203	68,998	99,831	99,999
Галилео	0	0,000	6,869	61,312	99,997	99,999
Галилео+БВ	0	0,000	15,763	73,875	99,999	99,999
Галилео+GPS	11,435	53,141	86,032	99,462	99,999	99,999

Приведенные результаты позволяют также предположить возможность удовлетворения требований к операциям захода на посадку по категории 1 при использовании всех доступных сигналов GPS, ГЛОНАСС и Галилео.

Полное совместное использование ГЛОНАСС, GPS и Галилео будет возможным после создания приемников, работающих по основным сигналам этих систем. Учитывая, что выбор сигнально-кодовых конструкций Галилео находится в стадии завершения, работа по проек-тированию аппаратуры потребителей уже ведется. Перспективная аппаратура будет использовать все «видимые» НКА и все доступные частоты GPS, ГЛОНАСС и Галилео. Это особенно важно в условиях городов с высотной застройкой, в горах и каньонах, глубоких рудниках и в сложной электромагнитной обстановке.

В заключение отметим, что интегрирование и совместное использование ГЛОНАСС, GPS и Галилео наряду с повышением эффективности навигации обеспечивает резервирование навигационного обеспечения на случай непредвиденных форс-мажорных обстоятельств, связанных, например, с террористической деятельностью, земными катаклизмами и др.



Список используемой литературы

Яценков В.С. «Основы спутниковой навигации»

Соловьев Ю.А. «Спутниковая навигация и ее приложения»

Доронин В.В. «Радионавигационные приборы и системы»
Размещено на www.allbest.