Лекция Спутниковые навигац. системы
.docСпутниковые навигационные системы ГНСС-1 и ГНСС-2 (GNSS)
Обзорная лекция
Дисциплина – «Радионавигационные приборы и системы (ФСВ и РЭ)
Составитель – профессор кафедры ТСС Владимиров В. В.
Существующие спутниковые навигационные системы НАВСТАР и ГЛОНАС в настоящее время не отвечает всем требованиям для гражданских потребителей, и это в основном по точности, целостности, доступности и в отсутствии контроля над их работой со стороны отдельного государства. Поэтому в Европе с 80-х годов начали проводить большую работу в области создания ГНСС. Европейская региональная спутниковая навигационная программа включает в себя разработку ГНСС-1 и ГНСС-2. Главная часть программы ГНСС-1 – это создание системы EGNOS (European Geostationary Navigation Overly Service), а ГНСС-2 – реализация проекта Galileo.
ГНСС-1 планируется реализовать в виде совокупности следующих систем: НАВСТАР, ГЛОНАСС, EGNOS и систем локального дополнения LAAS.
В настоящее время идет разработка EGNOS как составной части ГНСС-1 Европейской спутниковой навигационной программы, которая выполняется по заказу ETG. Развитие EGNOS осуществляется под руководством ЕКА. Оно имеет право от имени Европейской тройственной группы вносить изменения в проект EGNOS.
Промышленный консорциум, создающий систему EGNOS, возглавляет фирма Thomson-CSF (Франция). Всего в проекте участвует 11 государств: Австрия, Франция, Германия, Италия, Нидерланды, Норвегия, Португалия, Испания, Швейцария, Великобритания и Канада.
EGNOS предназначена для выполнения следующих функций:
- увеличение числа навигационных спутников (КА) за счет использования геостационарных ИСЗ, передающих сигналы подобных в СНС НАВСТАР. Тем самым увеличивается доступность системы;
- передача информации о целостности. Это увеличивает доступность НАВСТАР/ГЛОНАСС/EGNOS навигационной службы до уровня, соответствующего требованиям грубого захода на посадку;
- передача дифференциальных поправок, что позволит обеспечить точность определения места до уровня, соответствующего требованиям точного захода на посадку по 1-й категории.
Идея создания системы EGNOS заключается в дополнении систем НАВСТАР и ГЛОНАСС ретрансляционной аппаратурой, установленной на геостационарных ИСЗ (системы связи ИНМАРСАТ и КА ARTEMIS), наземной инфраструктурой для передачи через геостационарные ИСЗ подобных псевдодальномерных сигналов СНС НАВСТАР (ГЛОНАСС), а также информации о целостности системы и дифференциальных поправок в широкой зоне применительно к этим системам, чтобы удовлетворить требования гражданской авиации, которые заведомо выше требований морских и наземных потребителей. В системе будут дополнительно задействованы (рис. 1):
ГЛОНАСС
24 спутника
GPS
24 спутника
Космический сегмент GEO:
3 актив.спут. GEO
1 резервн.спутнитк
Сообщение функционального расширения
ПОЛЬЗОВАТЕЛЬ
Наземные станции
мониторинга дальн. и целост. GPS
+ ГЛОНАСС
Наземная навигационная станция NLES
Главный центр управления
Сеть релейных станций
Рис.1 Архитектура
системы EGNOS
-
аппаратура (транспондеры) на трех геостационарных ИСЗ;
-
контрольно-вычислительные центры; контрольные станции;
-
наземные станции, передающие информацию на геостационарные ИСЗ.
Система EGNOS будет обеспечивать:
- дополнительные дальномерные измерения за счет использования подобных псевдодальномерных сигналов СНС НАВСТАР и ГЛОНАСС от геостационарных ИСЗ, что позволит увеличить доступность как в определении места, так и в использовании RAIM;
- данными о целостности СНС НАВСТАР и ГЛОНАСС за счет передачи информации о них через геостационарные ИСЗ, а также данных о целостности самих геостационарных ИСЗ, вырабатываемых на Земле; передачу широкозонных дифференциальных данных с целью повышения точности определения места при использовании двух подходов. Первый - совместная обработка данных от СНС НАВСТАР и геостационарных ИСЗ. Второй - совместная обработка данных от СНС НАВСТАР, ГЛОНАСС и геостационарных ИСЗ в бортовом приемоиндикаторе.
EGNOS будет включать в себя три сегмента:
- наземный сегмент - GABS, который определяет и оценивает достоверность сообщений СНС НАВСТАР, ГЛОНАСС и EGNOS, вычисляет составляющие поправок и вырабатывает дополнительные дальномерные сигналы, которые передаются на геостационарные ИСЗ;
- космический сегмент- SABS, который за счет дополнения из геостационарных ИСЗ обеспечивает передачу сигналов, содержащих дальномерные данные, информацию о целостности и дифференциальные сообщения;
- сегмент потребителя, который принимает данные от КА СНС НАВСТАР, ГЛОНАСС и геостационарных ИСЗ, обрабатывает их и решает навигационную задачу.
Наземный сегмент включает:
-
до 50 ед. станций измерения псевдодальностей и контроля целостности, еще называемые RIMS (Ranging and Integrity Monitoring Stations);
-
центры управления и контроля, еще называемые MCC (Mission Control Centers), где формируются дифференциальные поправки и информация о целостности;
-
наземные станции связи - NLES (Navigation Land Earth Stations), используемые для передачи данных на геостационарные ИСЗ (до 6 станций).
Космический сегмент включает в себя три транспондера. Два из них будут установлены на геостационарных ИСЗ системы ИНМАРСАТ, находящихся в точках с координатами 64,5°Е (район Индийского океана) - IOR и 15,5°W (восточный район Атлантики) - AOR.-E. Работая вместе, они не только обеспечат покрытие всей Европы, но также Африки, Южной Америки и большой части Азии. Кроме спутников системы ИНМАРСАТ в состав космического сегмента будет входить геостационарный ИСЗ Европейского космического агентства ARTEMIS (точка 21,4°Е). Для определения своих координат потребителю необходимо принять сигналы от четырех КА. Запуск КА ARTEMIS будет обеспечивать использование двух геостационарных ИСЗ во всех прибрежных и океанских районах в зоне действия подсистемы EGNOS и увеличивать достоверность получения данных о целостности системы.
Сигнал о целостности EGNOS может быть получен и использован за счет их выработки функциональными дополнениями, такими, как ДГНСС и EUROFIX, применяемыми в Европейском Союзе и финансируемыми Европейской Комиссией .
Зона действия системы EGNOS будет зависеть от того, какие КА СНС используются: только СНС НАВСТАР или СНС НАВСТАР и ГЛОНАСС. При использовании только СНС НАВСТАР зона действия системы EGNOS будет простираться по широте от 15°S до 70°N и по долготе от 30°W до 45°Е. При этом в интересах воздушных потребителей подсистемой EGNOS будет обеспечен регион, охватывающий большинство стран Европы - членов ECAC (European Civil Aviation Conference), Турцию, Северное море и восточную часть Атлантики, в том числе находящиеся в зоне видимости - GBA (Geostationary Broadcast Area) двух геостационарных связных спутников AOR-E и IOR при углах возвышения более 5°. Зона действия EGNOS может обеспечить не только покрытие всей Европы, но также Африки, Южной Америки и большей части Азии.
В EGNOS будет шесть уровней обеспечения морских потребителей навигационной информацией:
1) когда два геостационарных ИСЗ будут в поле зрения в прибрежных районах и на подходах к порту;
2) когда два геостационарных ИСЗ будут в поле зрения в океанских районах;
3) когда один геостационарный ИСЗ будет в поле зрения в прибрежных районах и на подходах к порту;
4) когда один геостационарный ИСЗ будет в поле зрения в океанских районах;
5) районы без одновременной видимости двух геостационарных ИСЗ;
6) районы вообще без видимости геостационарных ИСЗ.
Характеристики систем EGNOS для прибрежных/океанских районов приведены в табл. 1.
Таблица 1
Параметры |
Когда два геостационарных ИСЗ в поле зрения
|
Когда один геостационарный ИСЗ в поле зрения
|
||
EGNOS + GPS |
EGNOS + GPS + ГЛОНАСС |
EGNOS + GPS |
EGNOS+ GPS + ГЛОНАСС
|
|
Прибрежные/океанские районы Точность абсолютная, м |
3,5/5 |
2,5/4 |
3,5/5 |
2,3/4 |
Целостность системы: задержка оповещения, с порог срабатывания, м
|
6 20 |
6 13 |
6 20 |
6 13 |
Доступность |
0,987
|
0,987
|
0,95
|
0.95
|
Техническая надежность в течение года |
0,957 |
0,957 |
0,957 |
0,957 |
Дискретность обмена данными, с |
1 |
1 |
1 |
1 |
Возможность обслуживания |
Неограниченная |
При использовании данных КА ARTEMIS сведения, приведенные в табл.1, будут удовлетворены в большинстве районов на Севере и Юге Атлантики, а также в Индийском океане.
К недостаткам системы EGNOS следует отнести ограниченную зону действия до широты 70°N из-за включения в ее состав геостационарных ИСЗ. В связи с развитием EGNOS и вероятностью включения РНС ЛOPAH-C/EUROFIX в состав Европейской навигационной системы Комиссия Европейского Союза рассматривает возможность такой организационной интеграции двух систем. Кроме того, к недостаткам EGNOS Следует отнести совокупность влияния таких факторов, как низкие углы возвышения КА, узкие фиорды или долины (ущелья, простирающиеся в направлении восток-запад, высокие горы, а также большие габариты судов (самолетов), которые могут создать проблемы в ее использовании. В этом случае совместное использование EGNOS и передача соответствующих данных (особенно после снятия в 2000 г. селективного доступа в СНС НАВСТАР) в формате ЛОРАН-C/EUROFIX может улучшить такую ситуацию.
В соответствии с этим самые северные станции РНС ЛОРАН-С (Ян-Майен, Бу и Берливог) могут быть использованы для передачи широкозонных дифференциальных поправок EGNOS с целью увеличения точности и зоны действия в прибрежных районах.
Дальнейшим развитием системы ГНОСС является реализация проекта Galileo.
Состав системы Галилео будет состоять из трех сегментов: космического, наземного и потребительского. Первоначально для создания ГНСС-2 требовалось большое число КА. Во-первых, чтобы были большие углы возвышения и, следовательно, будет высокая точность и доступность определения места и глобальная зона действия. Во-вторых, для увеличения контроля целостности. При этом были рассмотрены различные варианты орбитальных группировок в составе от 18 до 60 КА .
При использовании 21 среднеорбитального KA 3 геостационарных зона действия системы Галилео будет покрывать Европу и Африку с доступностью получения навигационной информации 0,9975. Европейский Союз считает, если при этой орбитальной группировке дополнительно использовать КА CHС HABСTAP, тогда доступность получения навигационной информации в этих двух регионах составит 0,9999.
Если орбитальная группировка системы Галилео будет состоять из 28 МЕО и 8 геостационарных ИСЗ, тогда будет обеспечена глобальная зона с доступностью 0,9999. Прорабатывается вопрос о подключении ещё двух МЕО КА.
Геостационарные ИСЗ требуются не только для увеличения зоны действия, но также для передачи данных о дифференциальных поправках через внутриспутниковую линию связи - ISL (Inter Satellite Link).
Планируется обеспечить передачу четырех несущих частот как в выделенном, так и в предполагаемом частотном спектре для полосы L-band. Во внимание принимается и анализируется влияние частот СНС НАВСТАР и ГЛОНАСС на работы системы Галилео. Скорость обработки будет в пределах между 3,069 Mcps (мегациклов в секунду) для Е1 (1590-1610 МГц) и 15,345 Mcps для Е5 (1166-1210 МГц). Высокая скорость обработки сигналов позволит значительно уменьшить влияние многолучевости на работу бортовых приемоиндикаторов, которые используют в обработке КА с низкими высотами возвышения. В то же время низкая скорость обработки сигналов будет достаточной для использования в большинстве бортовых приемоиндикаторов потребителей.
Рассматривается возможность передачи данных в формате сигнала информации о времени, а также о регулировании движения грузового и пассажирского флота, передвижении наземного транспорта, контроле рыболовных судов, штормовых предупреждений и других сообщений.
В состав наземного комплекса будут входить два главных элемента: контрольный сегмент и система определения целостности.
В контрольный сегмент будут входить: многосетевой контрольный центр, управляющий работой системы; спутниковый центр контроля, где основные контрольные функции являются постоянными; 2 типа запросных станций - телеуправления и телеметрии - ТТ and С (Telecommand and Telemetry); сеть станций контроля орбит и синхронизации - OSS (network of orbitography and synchronization), через которые отдельно (от выходных команд и принятых от КА) регулярно посылаются навигационные сообщения.
В систему определения целостности входят центр контроля целостности и станции запроса целостности, работающие в той же полосе частот, что и ТТ and С, которые постоянно запрашивают КА и определяют данные о целостности.
Предварительно оценено, что наземный сегмент будет состоять из 10 OSS и ТТ and С. Однако прорабатывается возможность сокращения ТТ and С до 2 в Европейском регионе.
Данные о целостности вычисляются службой определения целостности, которая связана с сетью пунктов контроля целостности и Центром контроля целостности, который в реальном времени (в соответствии с требованиям по времени выдачи сигналов тревоги) точность навигационных сигналов. Центр контроля целостности - это сердце системы, главные функции которого заключаются в следующем:
-вычисление местоположения КА и времени синхронизации с применением методов оптимальной фильтрации;
-Сбор данных от пунктов контроля целостности и обработка погрешностей измерений и связной информации о сигналах тревог для каждого КА, находящегося в поле зрения станции.
Для европейской системы определения целостности предусматривается установка 16 пунктов контроля целостности и 3 связных станций. Прорабатывается возможность уменьшения их количества, а также их установка на территории других государств, не входящих в Европейский Союз. При этом прорабатывается возможность передачи на их территории не только данных о контроле целостности системы Галилео, но и других систем, например, СНС НАВСТАР.
Таким образом, система Галилео проектируется как гражданская система, соответствующая перспективным требованиям будущих потребителей спутниковой информации. В системе будет обеспечен открытый и контролируемый доступ.