по Редькинским стандартам
.pdfрадиосредств составляют при этом
1.. .5 м, а необходимая точность (СКО) проведения топогеодезических и землеустроительных работ оказывается в диапазоне от 0,01 до 5 м [2].
В табл. 1.8 приведены требования потребителей к точности геодезического обеспечения при решении специальных задач.
11
4. Использование СРНС при обеспечении навигации морских и речных судов Как следует из главы 1 и из [29], для обеспечения плавания морских судов в
открытом море (океане) и прибрежных водах требуемая точность (2 СКО)
определения места находится в зависимости от класса судна в диапазоне от нескольких километров до сотен метров. В портах, гаванях, на подходах к ним, в
проливных зонах и узкостях требуемая точность (2 СКО) определения места составляет от 8 до 20 м. При проведении картографических, океанографических,
изыскательских и других работ требуемая точность будет еще более высокой (доли и единицы метров). Требуемые уровни доступности и целостности находятся в диапа-
зоне от 0,99 до 0,9997 при задержке оповещения о неисправности от единиц до десятка секунд. Требуемые точности определения координат при навигационном обеспечении речных судов аналогичны принятым для морских потребителей.
В соответствии с изложенным для обеспечения плавания в открытом море и прибрежных водах используется бортовая аппаратура GPS в номинальном
(автономном) режиме с точностью 35...50 м (СКО) совместно с другими навигационными средствами.
Для обеспечения плавания в портах, гаванях, на подходах к ним, в проливных зонах и узкостях, а также при движении по внутренним водным путям могут использоваться и используются локальные дифференциальные подсистемы (ЛДПС)
СРНС, созданные на базе всенаправленных радиомаяков (см. главу 8). При этом точность (с вероятностью более 0,95) определения координат при совместном использовании ГЛОНАСС и GPS составляет от 2 до 10 м. Надежность обслуживания и доступность составят соответственно более 0,9997 (ГЛОНАСС) и 0,998 (GPS) при времени предупреждения об отказе лучше 10 с [29].
Проведение картографических, океанографических, гидрографических,
изыскательских и некоторых других работ (по расстановке знаков судоходной обстановки, замеру глубин и т.д.) требует использования систем геодезической точности.
Особенности использования СРНС для морских судов достаточно подробно и квалифицированно рассмотрены в [29]. Здесь только подчеркнем, что морские
12
ЛДПС оказываются одними из самых распространенных наземных средств обеспечения спутниковой навигации. Действительно, морские ЛДПС размещены в США (практически по всему побережью), по периметру о. Исландия, по побережью Италии и в других странах Европы. 12 радиомаяков размещены вдоль побережья Австралии. Отмечается также их размещение в Китае, Индии, Южной Африке,
Великобритании, Канаде и в ряде других мест. К середине 1998 г. насчитывалось
187 таких радиомаяков в 28 странах мира. В настоящее время проводятся работы по размещению оборудования ЛДПС и в России на маяке "Шепелевский" вблизи СанктПетербурга и на маяке при входе в Цемесскую бухту вблизи Новороссийска.
Для судов морского и речного флота в РНИИ КП разработана морская отечественная БА СРНС "Шкипер-КН" массой 2,5 кг (точность определения координат 15 ..20 м). Кроме того, фирмой "Навис" создана и прошла с положительными результатами испытания 14канальная Б А ГЛОНАСС/GPS "Бриз-
К" (СН-3101) и ее модификация СН-3102 массой 2,6 кг, позволяющая определять координаты с точностью (СКО) 15...20 м в автономном режиме и
1. ..3 м - в дифференциальном. Последняя позволяет также обеспечивать движение по заданному маршруту и имеет расширенный набор сервисных и штурманских задач, включая отображение данных на электронной карте, реализованной на графическом жидкокристаллическом дисплее с разрешением 640x480 точек.
Примером использования СРНС для обеспечения прецизионных морских работ служит исследование [44], в котором оценивались возможности использования фазовых измерений и сети морских дифференциальных станций, позволяющих рассчитывать комплексные поправки для определения координат и высоты на сантиметровом уровне точности.
В последнее время появилась тенденция к усилению требований к точности определения координат в открытом море (океане) (до единиц - десятка метров), что предопределяет возросший интерес морского сообщества к широкозонным подсистемам WAAS, EGNOS и MSAS. Поэтому отметим также 16-канальную судовую приемную БА МТ-102 и МТ-201, предназначенную для морских и речных судов, скорость которых не превышает 50 узлов (90 км/ч). Эта БА служит для приема
13
сигналов ГЛОНАСС/GPS, широкозонных дополнений (ШДПС) WAAS и EGNOS, а
также сигналов стандартных морских ЛДПС. БА МТ-102 имеет расширенный набор навигационных функций. Эти устройства могут сопрягаться с навигационными комплексами или электронно-картографическими системами по интерфейсу RS-232
и протоколом обмена NMEA 0183 [45].
14
5. Помехозащищенность и электромагнитная совместимость СРНС
5.1.Источники помех.
Канал GPS. На приемник GPS может воздействовать и нарушать его работоспособность несколько видов помех. Прежде всего, это достаточно сильные посторонние сигналы, частоты которых лежат в полосе сигналов GPS. Напомним,
что сигналы диапазона L1 занимают полосу 1575,42±12 МГц, а сигналы диапазона
L2 находятся в полосе 1215-1240 МГц [1-3].
Хотя ширина полосы сигнала с С/А-кодом составляет ±1 МГц относительно центральной частоты, некоторая мощность распределяется и в более широкой полосе. Это используется в ряде приемников для повышения точности измерения псевдодальности и снижения эффекта многолучевости. Приемники, работающие по Р00-коду, и бескодовые устройства в общем случае также используют полосу,
несколько превышающую полосу Р-кода (±10 МГц). Посторонний сигнал достаточной мощности внутри этих полос уменьшает отношение сигнал/шум,
снижая тем самым точность измерений, что может привести также к срыву слежения за кодом и несущей частотой сигнала GPS.
Помехи по основному каналу возникают, когда какое-либо средство излучает по разрешению или без такового сигналы в полосе GPS. Например, аэронавигационная служба Швейцарии сообщала о помехах для приемников GPS при заходе на посадку в аэропорту Лугано. Кроме того, обнаружен высокий уровень помех в полосе сигналов GPS при полетах над всей южной Европой [1].
Шумы по основному каналу могут создаваться н от электрических устройств.
Приемник может воспринимать помехи через антенну или через цепи питания и проводку.
Излучения вблизи полосы GPS также могут влиять на приемные устройства со слабой фильтрацией сигнала. Например, на одном морском судне приемник GPS
становился неработоспособным в гавани Ставангер, Норвегия, из-за воздействия находящегося на расстоянии 1 км передатчика радиолинии, работающего на частоте
1533,005 МГц. Этот сигнал, однако, не влиял на другие GPS-приемники,
15
испытываемые в том же месте.
Многие мешающие сигналы образуются как гармоники основной частоты. Они могут быть достаточно сильными, чтобы мешать приему, особенно если передатчик находится в непосредственной близости от приемника. Например, приемник сигнала
GPS L1 диапазона восприимчив к третьей гармонике передатчиков, работающих в диапазоне 500 МГц,, а также ко второй гармонике Северо-Американских телевизионных передатчиков на каналах 66 и 67 (как и соответствующих каналов в других регионах), к 3-й гармонике 22 и 23-го телевизионных каналов, 10-й гармонике каналов УКВ связи в диапазоне от 156,3 до 157,9 МГц, к 12-й и 13-й гармоникам авиационной радиосвязи на частотах вблизи 131 и 121 МГц соответственно, включая
13-ю гармонику аварийной частоты 121,5 МГц.
Источниками помех могут быть также вторые гармоники сигналов запроса дальности отечественных систем РСБН. На одном самолете отмечалось воздействие третьей гармоники (1575 МГц) частоты кристалла 525 МГц системы DME,
излучающей сигнал на частоте 1050 МГц. При этом уровень помехи был достаточным для срыва работы 3-х различных приемников GPS.
Не исключается также возможность постановки организованных помех на этапе захода на посадку воздушного судна, что может привести к его катастрофе. На этих ответственных этапах движения предполагается использовать дифференциальные подсистемы GPS. При этом помехи могут быть поставлены как бортовой аппаратуре
GPS, так и аппаратуре GPS контрольно-корректирующих станций, а также приемникам линий передачи данных (ЛПД), по которым передаются сигналы контроля целостности и дифференциальные поправки.
Использующиеся сейчас морские ЛПД созданы, как известно (глава 8), на основе всенаправленных радиомаяков и излучают сигналы в диапазоне от 283,5 до
325 кГц. При их использовании возможны, в частности, помехи от разрядов статического электричества при наличии осадков (снег, дождь).
Разработанные авиационные ЛПД используют для передачи поправок и другой информации диапазон частот 112-118 МГц. Основной недостаток такого решения -
перегруженность этого диапазона другими радиосредствами. Создаются также
16
дифференциальные спутниковые подсистемы, поправки которых, например, должны передаваться через спутники Инмарсат и передатчики радионавигационной системы Лоран-С (глава 7).
Имеется ряд сообщений о попытках оценки помехоустойчивости и уязвимости
GPS. Этому посвящены, в частности, исследования [1, 3-5], которые однако носят отрывочный характер. Имеются также сообщения из повседневной практики. Например, консультативный документ № 236, 1995, МО США сообщает потребителям GPS о возможности помех внутри зоны радиусом 370 км вокруг пункта Битти, штат Невада, где Военно-морской центр радиоэлектронной борьбы планировал свои испытания 8.11.95. Такие испытания продолжались и позднее с подобными же предупреждениями [1].
С марта по июнь 1997 года Web-страница Интернет Навигационного центра Береговой охраны США характеризовала как помеховую километровую зону вокруг маяка VORTAC, пункта Tonopah, штата Невада. Мощность источника помех не установлена, хотя, как сообщалось, сигналы исходили от самолета на высоте 4500 м над уровнем моря.
Сообщалось также о воздействии на приемник GPS немодулированной несущей (НН) с частотой 1575,36 МГц, эффективной излучаемой мощностью 7,9 дБВт и вертикальной поляризацией. Сигнал излучался передатчиком маяка высотой 67 м над уровнем моря. Этот сигнал поражал три различных приемника GPS на судах, удаленных от маяка на расстояния 37-55 км. Точное расстояние, на котором поражались приемники GPS, зависело от высоты расположения приемной антенны, составлявшей от 14 до 28 м. В другом сообщении, последовавшим за серией трансевропейских испытательных полетов с целью измерения уровня помех, было сделано заключение, что приемник GPS, как единственное средство навигации, вообще является крайне уязвимым для помех [1].
Поскольку все НКА GPS работают на одной частоте, помехи, вызывающие срыв слежения за сигналом одного НКА, будут вызывать срыв слежения и за сигналами других НКА, а с ним ■ невозможность определения места.
Канал ГЛОНАСС. Как следует из главы 2, сигналы ГЛОНАСС L1 диапазона
17
(закрытые с полосой ± 5,11 МГц и открытые, стандартной точности, с полосой ±
0,511 МГц) имеют центральные частоты в полосе частот 1602-1615,5 МГц, а сигналы ГЛОНАСС диапазона L2 (закрытые) находятся в полосе частот 1246-1256,5 МГц. В
соответствии с [6] максимальный уровень принимаемого потребителем сигнала стандартной точности в диапазоне L1 в результате действия всех факторов не превысит - 155,2 дБВт. Номинальный уровень сигнала L1 - 161 дБВт. После 2005
года сигналы диапазонов L2 и L1 должны быть сдвинуты в полосы 1242,94-1247,75
МГц и 1598-1604,25 МГц соответственно.
В качестве основного возможного источника неорганизованных помех ГЛОНАСС указываются средства низкоорбитальных систем подвижной спутниковой связи (ПСС), занимающие полосу выше 1610 МГц (системы Иридиум, Глобалстар и др). В последнее время оценке влияния их сигналов на приемный канал потребителя ГЛОНАСС уделялось заметное внимание, что позволило провести необходимые экспериментальные исследования.
Другие источники помех будут в основном аналогичны тем, которые оказывают влияние на канал GPS. Отметим, что ГЛОНАСС, сигналы НКА которой работают на различных частотах, будет более устойчивой к воздействию немодулированной несущей (НН) или узкополосного сигнала. С другой стороны очевидно, что помеха со случайно и медленно меняющейся НН больше влияет на прием сигналов ГЛОНАСС, чем GPS. В целом, вследствие того, что аппаратура ГЛОНАСС имеет пока сравнительно ограниченное распространение и применение, ее ЭМС с другими РЭС меньше изучена, и этот пробел восполняется посредством проведения специальных работ.
Некоторые исследования воздействия помех. Ряд результатов исследований воздействия сигналов ПСС на приемные устройства ГЛОНАСС докладывался
17.11.98 г, на симпозиуме Российского общественного института навигации
"Нормативные правовые и технические аспекты использования спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС и GPS". При этом показано, что основными средствами противодействия влиянию сигналов систем ПСС являются меры по обеспечению необходимого уровня фильтрации сигналов в приемнике СРНС,
18
пространственная избирательность его антенных устройств и, в ряде случаев, рег-
ламентация пространственного разноса приемных устройств СРНС и терминалов ПСС.
Подробное исследование воздействия помех на приемник GPS Trimble 4000SST
было осуществлено 24.5.94 г. в Технологическом университете Квинсленда
(Австралия) и описано в [7]. Для сравнения использовались данные одновременных наблюдений в районе г. Хобарт, Тасмания, где помехи отсутствовали. При этом выявлено, что помехи в основном приводили к ошибкам в определении изменений псевдодальностей и статистически могли характеризоваться белым шумом с нулевым средним значением и СКО, равным 4 м/с. Измерения фазы несущей воздействию помех не подвергались. Помехи приводили, в частности, к появлению больших высокочастотных ошибок при определении высоты (до 180 м) в течение интервалов времени до 6 с. Подтверждено, что помехи влияли на прием сигналов всех наблюдавшихся НКА. Источник помех находился, по-видимому, в районе г.
Брисбен, имел частоту вблизи частоты LI GPS и фазовую модуляцию с частотой
1,023 МГц. Эффективной мерой по борьбе с этой помехой было сглаживание кодовых измерений с помощью измерений фазы несущей.
В работе [8] проведено исследование помеховой обстановки для приемников
GPS и ГЛОНАСС в Германии. Для приемников GPS не нашлось источников помех внутри или вблизи полосы сигнала с кодом С/А, которые существенно повлияли бы на их показания. Однако были обнаружены источники помех для сигналов ГЛОНАСС в диапазонах как L1, так и L2. Это только в Германии имеется более 250
радиолюбительских передатчиков (Digipeaters) в диапазоне 1240...1243,25 МГц,
предназначенных для передачи цифровых данных (пакетное радио). Сеть таких передатчиков охватывает всю Западную Европу.
Имеется также некоторое количество любительских радиорелейных станций с частотной модуляцией в диапазоне от 1242 до 1242,7 МГц, а также любительских телевизионных передатчиков в диапазоне от 1243,25 до 1260 МГц.
Помехи от любительских средств отмечаются в Нидерландах и Швейцарии.
Показано, что указанные средства влияют и на канал L2 ГЛОНАСС.
19
В качестве источников помех необходимо также рассматривать обзорные РЛС УВД. В Германии их 12. Они работают в диапазоне частот от 1250 до 1259 МГц.
Кроме того, в качестве источников помех рассматриваются и аэродромные РЛС с несущими частотами в диапазоне от 2816 до 2889 МГц, а также сигналы систем
VORTAC, TACAN, DME. Авторы [8] считают, что интегрированный приемник ГЛОНАСС/GPS, вследствие того, что он отличается своей более широкой полосой частот, может оказаться менее эффективным в борьбе с помехами, чем приемник с раздельными каналами ГЛОНАСС и GPS.
20