Использование навигационных систем. Аналитический обзор состояния и тенденций развития спутниковых систем телекоммуникаций. Классификация и основные показатели

Спутниковые навигационные системы

1. краткий обзор спутниковых систем навигации

Первый спутник системы GPS США был выведен на орбиту 22 февраля 1979 г. Создание группировки GPS было закончено в 1989 г.

Первый спутник системы ГЛОНАСС был запущен в СССР 12 октября 1982 г. Официальное введение системы ГЛОНАСС в действие состоялось 24 сентября 1993 г. В январе 1994 г. система состояла из 24 спутников. В период 1995 – 2004 годы количество уменьшалось до 12. В 2004 г. началось восстановлении группировки.

14 апреля 2007 г. состоялся первый запуск китайского навигационного спутника "Бэйдоу" (Большая Медведица) для создания СНС Compass. 14 апреля 2009 г. орбиту был выведен второй навигационный спутник на геостационарную орбиту. Развертываемая Китаем подсистема GNSS, предназначенная для использования только в этой стране. Завершить создание космической навигационной системы КНР намеревается к 2015 г. Космический сегмент СНС будет сформирован из 5 спутников на геостационарной орбите и 30 спутников на средней земной орбите. Система будет полностью совместима с российской "ГЛОНАСС", Европейской "Галилео" и американской GPS.

Индийская региональная навигационная спутниковая система (Indian Regional Navigation Satellite System), сокращённо IRNSS. Первый спутник запущен в 2008 г. Спутниковая группировка IRNSS будет состоять из семи спутников на геосинхронных орбитах. Причем четыре спутника из семи в IRNSS будут размещены на орбите с наклонением в 29 о по отношению к экваториальной плоскости. Проектная дата завершения работ 2011 г. IRNSS будет обеспечивать только региональное покрытие самой Индии и частей сопредельных государств. Японская Quasi-Zenith навигационная система (QZSS) . Планируемая дата запуска первого спутника в августе 2010 г. Всего в спутниковый сегмент войдут 3 спутника, орбиты которых будут выбраны таким образом, чтобы их подспутниковые точки описывали на земной поверхности одну и ту же траекторию с одинаковыми временными интервалами. При этом, по крайней мере, один спутник будет виден под углом места более 70º в любое время на территории Японии и Кореи. Эта особенность и определила название навигационной системы - Quasi-Zenith («Квази-зенитная»). Эта особенность важна для гористой местности или городов с высокими зданиями. В ближайшей перспективе будут одновременно работать три глобальных навигационных спутниковых системы GPS, ГЛОНАСС и GALILEO. Практически во всех странах в настоящее время широко используется только GPS, нормальное функционирование которой целиком зависит от правительства США. Использование спутниковых навигационных систем (СНС) для целей навигации приносит значительные преимущества по сравнению с обычными навигационными средствами. СНС характеризуются более высокой точностью по сравнению с эксплуатируемыми в настоящее время системами. В сочетании с системами передачи данных “воздух-земля” СНС позволяет осуществлять автоматическое зависимое наблюдение (ADS) в любом районе воздушного пространства. Внедрение СНС и возможное в будущем снятие с эксплуатации наземных навигационных средств позволит существенно повысить регулярность, эффективность, экономичность и безопасность полетов воздушного транспорта. В связи с тем, что в практической деятельности используется GPS и ГЛОНАСС, то далее они будут рассмотрены подробно.

Основные принципы определения места воздушного судна

Рис. 2.1. Определение позиции ВС по спутникам

Дальности D 1 и D 2 до двух спутников определяют две поверхности положения, пересечение которых определяет линию положения в виде окружности. Поверхность положения, полученная с помощью третьего спутника в виде сферы с радиусом может иметь пересечение с линией положения в виде окружности, полученной от первых двух спутников, только в двух точках М 1 и М 2 . Таким образом, измеренные дальности до трех спутников ограничивают возможную позицию двумя возможными точками. Методом логического исключения определяется, какая из двух точек является позицией приемника СНС. Например, если одна из точек слишком далеко от поверхности Земли, или имеет слишком большую скорость перемещения относительно земной поверхности, или находится на очень большом удалении от ранее определенной позиции, то такая точка не может быть искомой позицией. В компьютеры бортовой аппаратуры заложено несколько алгоритмов, позволяющих отличить правильную позицию от ложной. Определение дальности D от спутника до приемника СНС выполняется в результате измерения времени прохождения радиосигнала от спутника до потребителя СНС сигналов по формуле:

D = c  t,

Где: c - скорость распространения радиосигнала; t - время прохождения радиосигнала. Для дальностей порядка D = 21000 км и скорости c = 300000 км/сек время прохождения сигнала t = 0,07 сек. Поэтому в аппаратуре потребителя должно быть обеспечено высокоточное измерение весьма малых промежутков времени. Для определения времени прохождения радиосигнала от спутника до приемника сигналов использован метод сравнения псевдослучайных кодов, генерируемых в аппаратуре спутника и приемника СНС. В самых общих чертах данный метод состоит в следующем. Аппаратура спутников и приемников синхронизирована с очень высокой точностью. И на спутниках, и в приемниках одновременно генерируются одинаковые последовательности весьма сложных цифровых кодов. Эти коды настолько сложны, что внешне выглядят как длинные цепочки случайных импульсов, которые принято называть псевдослучайными кодами. А так как аппаратура спутников и приемников генерирует одинаковые коды в одни и те же моменты времени, то время прохождения сигнала от спутника до приемника определяется по задержке принятого кода (рис. 4.2). Генерируемые псевдослучайные коды повторяются каждую микросекунду, т.е. через каждые сек.

Рис. 2.2. Измерение времени прохождения сигнала от спутника

Большинство СНС приемников обеспечивают измерение времени с точностью до Δ t = 10 -9 сек (т.е. до одной наносекунды). Для высокоточного определения позиции ВС необходимо, чтобы точность синхронизации часов на спутниках и в аппаратуре потребителей соответствовала потребной точности измерения времени прохождения радиосигнала от спутника до приемника. На спутниках устанавливаются комплекты из четырех высокоточных атомных часов и, кроме того, эти часы корректируются наземными станциями управления. В СНС приемниках устанавливаются сравнительно неточные кварцевые часы. Погрешность определения момента времени t по часам приемника по сравнению с отсчетом на часах спутников определяется компьютером аппаратуры потребителя в результате вычисления по специальному алгоритму. Предположим, что спутники и приемник СНС находятся в одной плоскости. Если  t = 0 , т.е. нет погрешностей в измерении времени прохождения радиосигнала одновременно от трех спутников, то линии положения пересекутся в одной точке. В тех же случаях, когда погрешность  t   , то вычисленные линии положения будут отстоять от фактических линий положения на величину c  t и образовывать некоторую область возможных положений приемника СНС (область погрешностей). Размеры этой области определяются величиной c  t и углами пересечения линий положения. По специальному алгоритму в компьютере приемника СНС после серии измерений обеспечивается вычисление величины  t , которая становится третьей координатой, определяющей позицию приемника на плоскости (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Влияние на определение позиции ВС погрешности во времени

Для вычисления погрешности в определении времени по часам приемника СНС и местоположения приемника СНС в пространстве (т.е. в системе трех координат) необходимо одновременное измерение расстояний до четырех спутников. При этом погрешность во времени  t является некоторой четвертой координатой, и, следовательно, четыре поверхности положения в виде сфер с радиусами, равными соответствующим дальностям от четырех спутников, определяют некоторую область возможных положений приемника СНС. Таким образом, для высокоточного определения позиции ВС в реальном масштабе времени необходимо сочетание многоканального приемника и быстродействующего компьютера. Приемник обеспечивает одновременный прием сигналов от четырех спутников, компьютер вычисляет погрешность часов  t и координат приемника в выбранной системе координат. В тех случаях, когда возможен прием сигналов только от трех спутников, то в алгоритмах аппаратуры потребителей СНС в качестве четвертого спутника принимается центр Земли, следовательно, одной поверхностью положения является сфера с радиусом, равным расстоянию от центра Земли до ВС (до приемника СНС). Расстояние от центра Земли до поверхности общеземного эллипсоида вычисляется компьютером аппаратуры потребителя СНС, а расстояние от поверхности эллипсоида до ВС (абсолютная высота) вводится в компьютер автоматизировано или вручную от бортовых систем ВС. Высокоточное определение местоположения ВС возможно только при условии точного вычисления координат навигационных спутников на момент измерения расстояний до спутников. Рабочие орбиты спутников выбраны такими, чтобы была обеспечена высокая точность сохранения спутниками заданных орбит и периода обращения относительно центра Земли. Эфемериды спутников (параметры, определяющие их положение на орбите) определяются и уточняются с помощью наземного командно-измерительного комплекса. Информация об эфемеридах всех спутников в виде так называемого "альманаха" вводится в память компьютера аппаратуры потребителя СНС сигналов. И, следовательно, компьютер обеспечивается данными для вычисления координат спутников на любой момент времени. Но так как под воздействием гравитационных пульсаций Луны и Солнца и давления солнечного излучения на поверхность спутника возникают изменения в эфемеридах спутника, то на наземном командно-измерительном комплексе определяются эфемеридные ошибки, которые передаются на спутник. В сигналах, передаваемых спутником, содержится информация об эфемеридных ошибках данного спутника. Данные об эфемеридах спутника, содержащиеся в альманахе, и информация об эфемеридных ошибках обеспечивают высокоточное вычисление координат спутника компьютером приемника СНС. Возможная точность измерения расстояния до спутника оценивается суммарной средней квадратической погрешностью в определении расстояния до спутника = 5-10 м . Точность определения координат позиции приемника СНС определяется не только величинами погрешностей в измерении расстояний до спутников, но и взаимным расположением поверхностей положения приемника СНС, т.е. взаимным расположением спутников. Предположим, что два спутника и приемник СНС расположены в одной плоскости (рис. 4.4). Обе линии положения определяются с погрешностью  D . Тогда область возможного положения приемника СНС будет значительно меньше при угле пересечения линий положения, близком к  (рис. 2.4 а), чем при угле пересечения, близком к  (рис. 2.4 б). Возможная погрешность в определении координат за счет так называемого "геометрического фактора" может возрасти в несколько раз.

Рис. 2.4. Влияние на определение позиции ВС “геометрического фактора”

При измерении расстояний до четырех спутников погрешности  D также определяют область возможного нахождения приемника СНС, и точность определения координат находится в большой зависимости от взаимного расположения спутников. Если в поле зрения антенны приемника СНС находится более четырех спутников, то по определенному алгоритму могут быть выбраны четыре спутника, взаимное расположение которых обеспечивает в данный момент наибольшую точность вычисления позиции ВС. Для оценки влияния взаимного расположения спутников и приемника СНС на точность определения координат используется критерий GDOP – Geometric Delution of Precision (Геометрическое снижение точности, "геометрический фактор"). Геометрический фактор GDOP , как правило, обозначается аббревиатурой DOP (в некоторых приемниках СНС этот критерий обозначается PDOP - Position Delution of Precision). Геометрическое снижение точности (GDOP) – относительная величина ошибки определения местоположения с помощью системы, формирующей несколько семейств боковых поверхностей положения. Точнее говоря, это - отношение среднеквадратической ошибки определения местоположения к среднеквадратическому значению ошибок измерения в предположении, что все составляющие ошибки измерения статистически независимы, имеют нулевое математическое ожидание и одно и то же стандартное распределение. GDOP представляет собой показатель совершенства, с точки зрения наблюдателя, геометрических характеристик расположения источников сигналов, формирующих указанные боковые поверхности положения. Низкое значение GDOP является желательным, высокое - нет. Величина критерия DOP определяется из следующих соображений. Если позиции четырех спутников: S 1 , S 2 , S 3 , S 4 , и потребителя M (рис. 2.5) рассматривать как вершины многогранника, соединив их прямыми линиями, то будет очерчен некоторый объем V . И чем лучше взаимное расположение спутников для пеленгования, тем будет больше объем V такого многогранника, определяющий величину DOP.

Рис. 2.5. Многогранник, определяющий “геометрический фактор”

Величина критерия DOP принимается обратно пропорциональной объему V с учетом некоторого коэффициента пропорциональности k :

DOP = k /V .

Величина DOP , как правило, колеблется от единицы до 10. Считается, что при DOP  4 обеспечивается высокая точность определения позиции ВС. Используя сведения из Альманаха, компьютер в аппаратуре потребителя непрерывно вычисляет критерий DOP , определяя лучшую четверку, как правило, из шести-восьми спутников. Средняя квадратическая радиальная погрешность в определении позиции ВС с учетом геометрического фактора может быть оценена по формуле: где - средняя квадратическая радиальная погрешность при DOP = 1,0 . За счет оптимального выбора для пеленгования четырех спутников из находящихся в поле зрения антенны, как правило, шести-восьми спутников, точность определения позиции ВС повышается в четыре-шесть раз. Таким образом, высокая точность определения позиции приемника СНС обеспечивается на основе следующих основных принципов:

использования в качестве первично определяемого навигационного параметра дальности до спутника; определения времени прохождения сигнала от спутника с помощью специального генерируемого на спутниках и в аппаратуре потребителя псевдокода; обеспечения точной синхронизации часов на спутниках и в аппаратуре потребителя; вычисления в аппаратуре потребителя с помощью Альманаха и эфемеридных поправок координат спутника; оптимального выбора спутников для пеленгования с учетом их взаимного расположения.

C/A-code (Clear/Acquisition-code – код свободного использования); P-code (Protected-code – защищенный код).

Рис. 2.6. Геоцентрические координаты спутника

Закон движения i-го навигационного спутника задается: прямоугольными координатами и скоростью их изменения , относящимися к некоторому определенному моменту времени . Если известны силы, действующие на спутник, то могут быть составлены уравнения движения спутника. И, следовательно, для любого момента времени t координаты i-го спутника и скорости их изменения могут быть определены в результате интегрирования уравнений движения спутника при некоторых начальных условиях. В результате определения дальности до i -го спутника может быть составлено следующее уравнение (рис. 4.7):

Где: – координаты приемника СНС относительно центра масс Земли; – координаты i -го спутника относительно центра масс Земли.

Рис. 4.7. Геоцентрические координаты спутника и ВС

Предполагая, что погрешность в измерении времени прохождения сигнала от спутника до приемника СНС  t = 0 , по результатам приема сигналов от трех спутников может быть составлена система из трех уравнений: (2.1) и определены координаты x, y, z потребителя СНС сигналов относительно центра масс Земли. Затем геоцентрические прямоугольные координаты переводятся в геодезические. Связь координат x, y, z с широтой B , долготой L и высотой Н может быть задана следующей системой уравнений:

(2.2)

Где: x , y , z – прямоугольные координаты; В, L , Н – геодезические координаты (соответственно широта и долгота, рад, и высота, м); N – радиус кривизны первого вертикала, м; е – эксцентриситет эллипсоида. Значения радиуса кривизны первого вертикала и квадрата эксцентриситета эллипсоида вычисляют соответственно по формулам:

(2.3)

(2.4)

Где: а – большая полуось эллипсоида, м; a – сжатие эллипсоида. Уравнения (2.1) и (2.2) только в общих чертах характеризуют алгоритмы, решаемые в вычислителях бортовой аппаратуры СНС. Кроме того для определения координат СНС приемника должна быть вычислена погрешность в измерении времени  t прохождения сигнала от спутников до приемника СНС. При определении места ВС с использованием GPS задача решается во всемирной геодезической системе координат 1984 г. (WGS-84 – World Geodetic System – 1984), а при использовании ГЛОНАСС – в системе геодезических координат Параметры Земли 1990 г., версия 2000 г. На рис. 2.1 представлена графическая интерпретация, отличия координат WGS-84 от ПЗ-90.02 (в горизонтальном плане) из которой видно, что при определении местоположения в системе координат WGS-84 они будут отличаться от координат в системе координат ПЗ-90.02 максимум на 0.5 м в районе Калининграда и в этой связи их можно практически считать идентичными. При осуществлении точного захода на посадку (с вертикальным наведением) с использованием СНС необходимо учитывать волну геоида для посадочного порога ВПП в связи с тем, что высота ВС определяется в системе координат WGS-84 или ПЗ-90.02, а посадку ВС производит на ВПП, абсолютная высота которой отсчитывается от среднего моря, т.е. от геоида. Авиационные спутниковые навигационные системы обеспечивают не только определение координат места ВС, но и определение путевого угла и путевой скорости ВС. Для определения путевого угла и путевой скорости измеряется сдвиг частот в сигналах от каждого спутника.

Рис. 2.1. Графическая интерпретация отличия координат ПЗ-90.02 от WGS-84

Полный алгоритм определения координат, путевой скорости и путевого угла воздушного судна (потребителя СНС сигналов) обеспечивает: В тех случаях, когда аппаратурой потребителя "захвачены" только три спутника и, следовательно, высота приемника СНС относительно среднего уровня моря вводится вручную или автоматически (в навигационных комплексах), то радиальная ошибка в позиции ВС может в два раза превышать ошибку в высоте. Так, например, если абсолютная высота введена с ошибкой = 100 м, то радиальная погрешность в позиции ВС может достигнуть величины σ r = 200 м. Фактические путевой угол и путевая скорость могут быть определены с высокой точностью только в тех случаях, когда скорость приемника СНС (скорость ВС) превышает 30 узлов (55,6 км/ч). При этом средняя квадратическая погрешность в определении фактической путевой скорости, примерно, = 0,1 узла (0,2 км/ч). 2.3. Основные преимущества СНС Одним из основных направлений использования искусственных спутников Земли в авиации является их применение для навигации воздушных судов (ВС). СНС обладают рядом преимуществ перед традиционными радиотехническими системами (РТС) навигации:

большая высота полета ИСЗ позволяет создать глобальную зону действия радиотехнических средств, установленных на спутниках, при использовании достаточно простых антенных устройств, как на спутнике, так и на ВС; с помощью созвездия ИСЗ обеспечивается создание навигационной системы, охватывающей территорию земного шара; нахождение спутника в пределах прямой видимости в любой точке зоны действия его радиотехнических средств позволяет использовать наиболее помехоустойчивые диапазоны радиоволн и передавать сигналы с наименьшими искажениями; обеспечивается практически неограниченная пропускная способность СНС; обеспечивается относительная простота и дешевизна бортового оборудования СНС на ВС, обусловленная отсутствием передатчика и современными технологиями обработки сигналов; возможно при дальнейшем развитии СНС комплексное использование спутниковых систем для решения задач навигации, связи и наблюдения.

повышение уровня безопасности полетов; повышение точности навигации, особенно в районах со слаборазвитой структурой наземного оборудования навигационных РТС и над водными пространствами; уменьшение интервалов эшелонирования ВС и увеличение пропускной способности воздушного пространства; спрямление воздушных трасс.

подсистемы космических аппаратов (ПКА); подсистемы контроля и управления (ПКУ); навигационной аппаратуры потребителей (НАП).

Таблица 3.1

Основные характеристики GPS и ГЛОНАСС

эфемериды спутников; коэффициенты моделирования ионосферы; информация о состоянии спутника; системное время и уход часов спутника; информация о дрейфе спутника.

геодезические; навигационные; бытовые (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Классы приемоиндикаторов СНС

Приемник спутникового навигационного сигнала (ГЛОНАСС/GPS-приемник) – это микросхема или совокупность микросхем (иногда по контексту с антенной или без таковой) с соответствующим программным обеспечением, задача которых прини-мать и декодировать сигналы спутниковой навигационной системы и выдавать на выходе координаты объекта в определенном формате. В том случае, когда приемник выдает информацию в навигационный комплекс, то он является датчиком СНС. Навигационные приемоиндикаторы, сертифицированное США по техническому стандарту ТSO-С129, делится на три класса: А, В, С. Знание классов оборудования необходимо для практических целей, т.к. на картах (схемах) могут быть указаны ограничения по использованию конкретного класса оборудования Класс А – оборудование, сочетающее в себе навигационный датчик, опреде-ляющий трехмерные координаты ВС: широту (B), долготу (L), высоту (H), время (UTC) и вектор путевой скорости (W), а также навигационный вычислитель, решаю-щий навигационные задачи и имеющий ряд сервисных и справочных функций. Это самый распространенный класс оборудования СНС, которое устанавливается на ВС, не имеющих навигационных комплексов последнего поколения (КС ПНО, FMS). Для гарантирования целостности в приемник встраивается устройство, обла-дающее функцией автономного контроля целостности в приемнике (RAIM) (см. далее). Оборудование класса А имеет подклассы: А1 и А2. Оборудование подкласса А1 одобрено для маршрутного полета, полета в зоне аэропорта и для неточного захода на посадку. Оборудование подкласса А2 одобрено для маршрутного полета и по-лета в зоне аэродрома. Поскольку оборудование СНС класса А является также и оборудованием зо-нальной навигации, то к нему применяются такие же требования, как и к аппаратуре зо-нальной навигации. Класс В – оборудование, состоящее из навигационного датчика и устройства передачи данных: φ, λ, h, UTC, W в навигационные комплексы. Оборудование класса В можно рассматривать как один из датчиков много-функциональных навигационных систем, в которых происходит или коррекция коор-динат по данным от СНС, или счисление координат по получаемой от СНС инфор-мации, и в которых происходит решение всех навигационных и сервисных задач на более высоком уровне, определяемом возможностями этих систем, как правило, большими, чем у оборудования класса А. Оборудование класса В имеет подклассы: В1, В2, В3, В4. В оборудовании под-классов В1 и В2 предусмотрен RAIM. Оборудование подкласса В1 позволяет выпол-нять маршрутный полет, полет в зоне аэродрома и неточный заход на посадку, а В2 – полет по маршруту и в зоне аэродрома. В оборудовании подклассов В3 и В4 дат-чики объединены, чтобы на уровне ВС обеспечить контроль целостности, эквива-лентный тому, который обеспечивает RAIM. Оборудование подкласса В3 позволяет выполнять маршрутный полет, полет в зоне аэродрома и неточный заход на по-садку, а В4 – полет по маршруту и в зоне аэродрома. Класс С – оборудование класса С, как и класса В, является датчиком для навигационных комплексов, обеспечивающих автоматический и директорный режим выполнения полета. Взаимодействие с бортовым комплексом всегда двусто-роннее с целью поддержки всех алгоритмов работы оборудования СНС в процессе обработки информации от спутников. Таким образом, оборудование класса С “встроено” в комплексные системы пилотажно-навигационного оборудования и является его составной частью. В силу этого и ряда других факторов оборудование класса С счи-тается более надежным, чем классов А и В. Это оборудование, как правило, не имеет своих органов управления и индикации, а обращение к СНС, управление обо-рудованием СНС класса С производится через многофункциональные пульты. Оборудование СНС класса С взаимодействует не только с навигационным оборудованием ВС. Как датчик параметров полета (φ, λ, h, UTC, W), оно использу-ется в системах TCAS, ADS, дисплеях навигационной обстановки, ответчиках ре-жима S и других. Оборудование класса С делится на подклассы: С1, С2, С3, С4. Подклассы С1÷С4 соответствуют подклассам В1÷В4. В табл. 4.1 перечислены требования TSO C129 к рассмотренным выше классам оборудования. Бортовое оборудование СНС класса А, В и С имеет функцию наблюдения за достоверностью информации, получаемой от спутников – RAIM (Reciever Autonomous Integrity Monitoring) – автономный контроль целостности в приемнике. RAIM – функция процессора бортового приемника СНС, обеспечивающая автономный контроль целостности сигналов навигационных спутников. Ее назначение: – своевременно обнаружить неустойчиво работающий спутник и исключить его из обработки для навигационных определений; – рассчитать текущую ошибку определения координат и, сравнивая расчетное значение с максимально допустимой на данном этапе полета, предупредить летный экипаж о выходе расчетной ошибки за предельные значения; – определить геометрию спутников в заданной точке, в заданное время и пре-дупреждать экипаж о том, что требуемая точность и надежность навигации по СНС в этой точке не будут обеспечены, выдавать сообщение об отказе СНС в целом и не-возможности ее использования для навигации. Для решения этих задач бортовое оборудование СНС должно иметь функцию RAIM или ее эквивалент AAIM (Aircraft Autonomous Integrity Monitoring) – бортовая автономная система контроля целостности.

Таблица 4.1

Классификация GPS-датчик

Дифференциального метода корректировки спутникового сигнала

спутниковая система функционального дополнения (SВАS – Satellite-Based Augmentation System); наземная система функционального дополнения (GВАS – Ground-Based Augmentation System.

Рис. 5.1. Дифференциальный метод повышения точности определения места ВС

Дифференциальный режим используется как в наземных, так и в спутниковых функциональных дополнениях. Использование дифференциальных поправок позволяет существенно повысить точность определения места ВС и таким образом использовать СНС для выполнения точного захода на посадку. В практической деятельности используются локальные и глобальные дифференциальные GNSS. Локальная дифференциальная GNSS – разновидность дифференциальной GNSS, в которой дифференциальные поправки можно использовать для обеспечения соответствующих этапов полета в пределах ограниченного географического района. Глобальная дифференциальная GNSS – разновидность дифференциальной GNSS, в которой дифференциальные поправки можно использовать для обеспечения соответствующих этапов полета в пределах целого региона. 5.2. Системы функционального дополнения Функциональное дополнение GNSS. Метод обеспечения данной системы входной информацией, которая дополняет получаемую путем использования основного(ых) созвездия(й) спутников и позволяет получать дополнительные входные данные о дальностях/псевдодальностях, или ввести поправки в существующие входные данные о псевдодальностях, либо улучшает указанные данные. Это обеспечивает улучшение характеристик системы по сравнению с теми, которые могут быть достигнуты при использовании только основной спутниковой информации. Системы функционального дополнения включают как спутниковые системы функционального дополнения – широкозонные дифференциальные подсистемы (SBAS), так и наземные системы функционального дополнения (GBAS). Принципиальное отличие SВАS и GВАS состоит в способах получения и доставки кор-ректирующей информации, а также зоне действия систем. SBAS – система функционального дополнения с широкой зоной действия, в которой пользователь принимает дополнительную информацию от передатчика, установленного на спутнике, и является глобальной системой с зоной действия до не-скольких тысяч километров. GBAS – система функционального дополнения, вкоторой пользователь принимает дополнительную информацию непосредственно от наземного передатчика. GВАS является локальной системой, функ-ционирующей в зоне действия до 50 км. Примером такой системы в России является локальная контрольно-корректирующая станция ЛККСА-А-2000. Наряду с локальной зоной действия, GBAS могут быть с расширенной зоной действия. Примером такой GBAS является Австралийская наземная региональная система дополнения (GRAS – Ground-based Regional Augmentation), которая охватывает территории Австралии и Новой Зеландии. Спутниковые функциональные дополнения (S BAS) . Система содержит наземные контрольные станции, распределенные на достаточно обширной территории, одной из основных задач ко-торых является выработка корректирующей информации из сигналов спутников и ин-формации о целостности. Корректирующая информация со всех контрольных станций, ин-формация о целостности навигационных спутников обрабатывается по определенным алго-ритмам и в виде сообщения, содержащего широкозонные дифференциальные поправки к сигналам навигационных спутников, информацию о целостности и другую служебную ин-формацию по каналам связи "земля-спутник связи – воздушные суда" передается в бортовые приемники СНС посредством геостационарных спутников. Геостационарный спутник при этом выполняет роль и навигационного, увеличивая количество радиовидимых потребителю навигационных спутников. Примером исполнения SВАS является WААS (Wide Area Augmentation System – Система функционального дополнения с широкой зоной действия) обслуживающая территорию США включая штат Аляска. Система WAAS создана для достижения возможности использования GPS во всех стадиях полета ВС, включая точный заход на посадку. Система обеспечивает ошибку не более 3 м по горизонтали и 4 м по вертикали в 95% времени. Система состоит из космического и наземного сегментов. Поправки для спутников системы WAAS формируются с помощью развитой сети базовых станций (наземный сегмент WAAS). Спутники, покрывающие своими сигналами территорию США, составляют космический сегмент системы. Сигнал WAAS имеет ту же частоту и схожую структуру с GPS, что облегчает его реализацию в GPS приемниках. В Европе и Азии на основе WAAS созданы и функционируют аналогичные системы. В Европе EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service – Европейская широкозонная подсистема спутниковой навигации, в районе Индийского полуострова – GAGAN (GPS Aided Geo Augmented Navigation – GPS дополненная геостационарным спутником для расширения навигации), на Дальнем востоке – MSAS (Multi-Functional Satellite Based Augmentation System – Многофункциональная система дополнения спутникового базирования), принадлежащая Японии, рис. 5.2. Наземные функциональные дополнения (GBAS) включает наземную подсистему и бортовую подсистему. Наземная подсистема GBAS передает данные и поправки к дальномерным сигналам GNSS посредством ОВЧ-радиовещательной передачи цифровых данных в бортовую подсистему. Наземная подсистема GRAS состоит из одной или нескольких наземных подсистем GBAS. GBAS выполняет следующие функции:

обеспечение локальных поправок к псевдодальности; обеспечение данных о системе GBAS; обеспечение данных для конечного участка точного захода на посадку; обеспечение прогнозирования данных об эксплуатационной готовности дальномерного источника; обеспечение контроля целостности источников дальномерных измерений СНС.

Рис. 5.2. Области обслуживания системами функционального дополнения

с широкой зоной действия

В том случае, когда GBAS предна-значена для обслуживания только в районе аэродрома, то такая система имеет ло-кальную зону действия и именуется как система функционального дополнения с ограниченной зоной действия (LAAS – Local Area Augmentation System). На рис. 5.3 представлена схема захода на посадку с применением GABAS (GLS). Зона действия LAAS для обеспечения точных заходов на посадку по категории I или заходов на посадку с вертикальным наведением, является следующей:

в боковом направлении: начиная с 140 м с каждой стороны от посадочного порога ВПП и расширяющейся под углом 35° с каждой стороны траектории конечного этапа захода на посадку до 28 км и под углом 10° с каждой стороны траектории до 37 км;

в вертикальной плоскости: в пределах упомянутой боковой зоны выше 7° или 1,75 относительно угла оси глиссады над горизонтом (θ) с началом координат в точке захвата глиссады и 0,45θ выше горизонта или менее вплоть до 0,30θ, такого, который требуется, чтобы поддержать назначенную процедуру захвата глиссады. Эта зона действия используется между 30 м и 3000 м относительной высоты точки приземления.

Рис. 5.4. Рабочая область LAAS

Рис. 6.1. Упрощенная схема интеграции датчика GPS

в структуре навигационного комплекса типа FMS

На воздушном судне, не оборудованном комплексной системой пилотажно-навигационного оборудования (КС ПНО, FMS) или оборудованными навигационными комплексами старого поколения, устанавливается стационарно приемоиндикатор GPS. Существует большое количество моделей разных производителей приемоиндикаторов GPS. На отечественных ВС в соответствии с рекомендациями полномочного органа в области гражданской авиации 1995 г. эксплуатируются приемоиндикаторы GPS указанные в табл. 6.1. Таблица 6.1

Приемоиндикаторы GPS используемые на отечественных ВС

Таблица 6.2

Отечественное оборудование СНС

6.2. Лицевая панель TNL-2000 Approach Plus

Рис. 6.3. Две навигационные страницы, индицируемые на пульте управления FMS.

Из рис. 6.2 и 6.3 видно, что на для понимания информации необходимо знать аббревиатуру, индицируемую на экранах (см. табл. 6.3).

Таблица 6.3

Аббревиатура, используемая в оборудовании СНС и сообщениях на дисплеях

Рис. 6.4. Полет на заданный пункт

6.3. Основные режимы работы приемоиндикаторов СНС Основные режимы использования приемоиндикаторов СНС следующие:

включение и инициализация (определение места ВС); создание маршрута полета (FPL); навигация (NAV) – полет по маршруту – EN-ROUTE; выполнение SID, STAR, HOLDING – TERMINAL; заход на посадку – NON-PRECISION APPROACH, только оборудование подклассов: А1, В1, В3, С1, С3; PRECISION APPROACH при наличии GABS (LAAS).

Terminal/Approach Check

Generated 20/08/2009 15:27:30 UTC

Scenario Start: 20/08/2009 00:00:00 UTC Scenario Stop: 23/08/2009 00:00:00 UTC

Mask Angle: 5.00. Algorithm Fault Detection with Exclusion (FDE). Mode: Approach

Рис. 6.5. Оценка качества принимаемых сигналов

На рис. 6.5 графически представлены линии положения от соответствующих номеров спутников. Место ВС определяется пересечением линий положений. В каждой точке пересечения линий положения определяются геодезические координаты (φ, λ) по умолчанию на эллипсоиде WGS-84, если не выбран соответствующий рефференц-эллипсоид. Из рис. 6.5 видно, что координаты, определяемые с использованием линия положения спутника №6, существенно отличается от остальных. В этой связи алгоритм RAIM не будет обрабатывать информацию этого спутника. Информация от пяти спутников образует 10 пересечений (рис. 6.6), т.е. 10 мест ВС. В дальнейшем компьютере по 10 местам вычисляется значение места ВС:
, где n количество i мест.

Рис. 6.6. Определение места ВС

В дальнейшем определяется радиус разброса места ВС (R). Значение этого радиуса используется в качестве порога срабатывания RAIM в зависимости от выполняемой операции согласно табл. 6.4. Таблица 6.4

Пороги срабатывания RAIM

основная база навигационных данных; база пунктов пользователя; база маршрутов пользователя (Company route).

аэропортах; радиомаяках VOR; радиомаяках NDB; пунктах, не маркированных радиомаяками – INTERSECTION.

идентификатор; наименование; ближайший крупный город и государство; широта и долгота; абсолютная высота; частоты каналов связи.

принадлежность (гражданский или военный); информация о ВПП (грузонапряженность, превышение, размеры); система посадки (светотехнические и радиотехнические средства); наличие посадочного радиолокатора; зона с особым режимом полетов (если аэропорт находится в пределах такой зоны); разница во времени с UTC; информация об аэродромном обслуживании (наличие марок топлива и др. сервис).

идентификатор; наименование; государство местонахождения VOR; частота; наличие радиомаяка DME; широта и долгота.

Рис. 7.1. Деление Земного шара на регионы баз данных

идентификатор; широта и долгота.

наименование; аэропорт; пункт перехода; соответствующая ВПП; контрольные точки процедуры.

о минимальных безопасных высотах; о зонах, контролируемых органами ОВД (УВД) и классах воздушного пространства (A, B, C, D, E, F, G); о зонах с особым режимом полетов (P, R, D и т. д.); частоты средств связи с органами ОВД.

Приложение 15 к Конвенции о международной гражданской авиации. Службы аэронавигационной информации. ИКАО, изд. 12. Монреаль, 2004. Спутниковые навигационные системы. Методическое пособие. СПб, АГА, НЛМК, 1998.