Надежность является характеристикой, отражающей способность навигационного датчика эффективно выполнять свою задачу в течение определенного времени. Надежность оценивается вероятностью безотказной работы аппаратуры, временем наработки на отказ и другими показателями.

Помехозащищенность представляет способность прибора эффективно работать в условиях действия различных помех.

Продолжительность одного измерения – это интервал времени от момента начала измерения параметра до момента выдачи результата. Когда такое время пренебрежительно мало, измерения называются

мгновенными.

Дискретность измерений определяется интервалом времени между выдачей результатов двух последовательных измерений параметра. Когда такой промежуток является достаточно малым, измерения считаются непрерывными.

Обратная к дискретности величина называется частотой измерений.

4.2. Позиционные датчики.

Позиционными датчиками называются навигационные измерительные устройства, предоставляющие информацию о координатах места судна. Они могут быть различных видов: радионавигационными, астронавигационными, радиолокационными, оптическими.

На современном этапе основными судовыми позиционными приборами стали приемоиндикаторы спутниковых навигационных систем: американской (GPS) и российской (ГЛОНАСС). Роль береговых радионавигационных систем в выполнении задачи определения положения судов снизилась. РНС «Омега» уже выведена из эксплуатации. Действие системы «Декка» планируется прекратить в ближайшие годы.

РНС «Лоран-С» по плану будет оставаться в эксплуатации до 2015 года и служить в качестве независимого средства, позволяющего обнаружить нарушения в правильности выдаваемой приемоиндикаторами спутниковых навигационных систем информации.

4.2.1. Требования к позиционным системам.

Международная морская организация установила стандарты оснащения судов позиционными средствами и выработала требования к точности и дискретности обсерваций, которые должны гарантировать

118

навигационную безопасность и эффективность проводки судна из порта отхода в порт назначения. ИМО также определила стандарты к Всемирной радионавигационной системе (ВРНС) как к единому источнику информации для всех задач мореплавания, решение которых основано на использовании данных о позиции судна. Это, прежде всего, задачи: непрерывного представления места судна на электронных картах, управления движением по заданной траектории, контроля соблюдения режима плавания и мониторинга судов в море, поиска и спасения и ряд других.

Стандарты снабжения судов аппаратурой высокоточных позиционных систем содержатся в переработанной главе 5 (Правило 19) Конвенции СОЛАС, которая вошла в действие 1 июля 2002 года. В ней предусмотрено обязательное оснащение морских судов, независимо от их вместимости, позиционными датчиками (аппаратурой GPS, ГЛОНАСС, GPS/ГЛОНАСС, или приемоиндикаторами другой РНС, покрывающей район плавания судна), которые с требуемой точностью автоматически вырабатывают и непрерывно представляют текущие географические координаты судна. Следует подчеркнуть, что это бортовое оборудование должно отображать географические координаты судна, а не величины измеряемых радионавигационных параметров.

Требования к обсервациям, выработанные для предупреждения посадок на мель, представлены в Резолюции ИМО А.529(13) от 17.11.1983 г. - “Accuracy Standard for Navigation”. Этот документ содержит требования к точности и дискретности определений текущего места в зависимости от скорости судна и расстояния до ближайшей опасности. Критерием для оценки точности обсерваций выбрана радиальная погрешность с вероятностью Р=0.95. В соответствии с Рекомендациями по организации штурманской службы на судах Украины эта погрешность обозначается буквой R.

Согласно принятой ИМО резолюции в открытом море и в прибрежных районах R не должна превышать 4% расстояния до препятствия, и быть не большей 4-х миль. Для стесненных вод требования к точности и дискретности обсерваций ставятся в зависимость от местных условий.

Чтобы упростить расчеты стандартов точности для различных акваторий, в текст Резолюции включена специальная таблица и построенные по ее данным два графика. В таблице определено допустимое время плавания по счислению в зависимости от разных значений расстояний до опасности и погрешностей обсерваций. Значения допустимого времени рассчитаны в предположении, что:

–эксплуатационные характеристики ГК и лага соответствуют требованиям ИМО,

119

–счисление не корректируется по предыдущим обсервациям,

–погрешности навигационных приборов имеют нормальное распределение,

–течение и дрейф учитываются традиционными методами с соответствующей им точностью.

Стандарты глобальных позиционных систем, установленные для обеспечения качественного решения всех задач мореплавания

(включая непрерывное представление места судна на электронных картах, управление движением по заданной траектории, мониторинг судов, поиск и спасение и т.д.), основываются на требованиях морских пользователей. Для удовлетворения этим требованиям аппаратура позиционных средств должна иметь необходимые системные характеристики (точность, целостность, доступность, зона действия, надежность, непрерывность).

Целостность – это способность системы своевременно обнаруживать свое неправильное функционирование и оперативно оповещать потребителей о любых нарушениях своей работоспособности. Основными, характеризующими целостность позиционных систем показателями, являются: предел защиты, время оповещения, риск ошибки.

Предел защиты – максимальная допускаемая погрешность определения координат потребителей в пределах рабочей зоны, в случае превышения которой должен подаваться сигнал предупреждения о неисправности.

Время оповещения – максимальное допустимое время между моментом выхода параметров позиционной системы за допустимые пределы и моментом приема потребителем сигнала, сообщающего об этом факте.

Риск ошибки (вероятность не обнаружения неисправности) –

вероятность того, что погрешности позиционной системы могут превышать предел защиты большее время, чем интервал оповещения.

Доступность позиционной системы – это вероятность того, что в заданном промежутке времени потребитель будет обеспечен необходимой информацией о места судна с установленной точностью и достоверностью.

Зона действия – район, в котором позиционной системой обеспечиваются навигационные определения с заданным уровнем точности и надежности.

Непрерывность функционирования – вероятность безотказной работы позиционной системы в течение времени выполнения задания.

При выработке стандартов к позиционным системам на основе требований к ним морских пользователей, вначале, в 1995 году, ИМО были установлены минимальные технико-эксплуатационные требования к ВРНС и ее компонентам, а также определен порядок

120

признания таких систем в ИМО - Резолюция А.815(19), 1995 г. Этим документом предписана необходимость: одобрения ВРНС в ИМО, глобальность зоны действия ВРНС, непрерывность определений позиций объектов, удовлетворение установленным системным стандартам. В частности, согласно этой Резолюции в открытом море и

вприбрежных водах ВРНС должна была обеспечивать определения места судна с 95%–погрешностью, не превышающей 4% расстояния до препятствия, но не большей 4 миль. Для стесненных акваторий следовало иметь точность обсерваций не хуже 10 м.

По истечению определенного времени с целью удовлетворения возросших требований пользователей ИМО разработала новые стандарты для ВРНС (Резолюция ИМО А.915(22), 2001 г). Согласно этому документу во всех районах плавания точность определений места по данным ВРНС должна быть не ниже 10 метров.

Приведенные в этой Резолюции требования к ВРНС представлены

втабл. 4.1.

Таблица 4.1

Минимальные требования морских пользователей к общей навигации.

	Системный уровень параметров				Уровень параметров для пользователей
	Абс. 95%		Целостность		Доступ-	Непрерыв-	Зона	Дискрет-
	погрешность				ность,	ность,	действия	ность, с
	Гориз.	Предел	Время	Риск ошибки	% за	% свыше
	м.	защиты, м	оповещения, с	(за 3 часа)	30 суток.	3 часов
Открытое море	10	25	10	10–5	99.8	–	Глобальная	1
Прибрежные воды	10	25	10	10–5	99.8	–	Глобальная	1
Подходы к портам	10	25	10	10–5	99.8	99.97	Региональная	1
и стесненные воды	1
Порты		2.5	10	10–5	99.8	99.97	Локальная	1
Внутренние	10	25	10	10–5	99.8	99.97	Региональная	1
водные пути

4.2.2. Среднеорбитальные спутниковые системы GPS и ГЛОНАСС.

Из действующих позиционных систем к стандартам для ВРНС наиболее близки по своим характеристикам среднеорбитальные спутниковые навигационные системы: GPS и ГЛОНАСС.

В 1996 г. по заявкам правительств США и России ИМО одобрила системы GPS и ГЛОНАСС с объявленными точностями: 100 м – у GPS, 45 м – у ГЛОНАСС. Приемоиндикаторы среднеорбитальных СНС включены в состав обязательной судовой навигационной аппаратуры, предусматриваемой главой 5 СОЛАС.

С 2000 г. по решению Правительства США был отменен ввод погрешностей искусственного происхождения в данные GPS, и точность ее аппаратуры для гражданских судов повысилась до 35÷45 м.

121

В 2000÷2002 году были разработаны методы коррекции неучитываемых ранее факторов, влияющих на точность GPS. Реализация этих методов в современных ПИ для гражданских судов позволила довести точность определений позиции по данным GPS до

10÷15 м.

Приемоиндикаторы среднеорбитальных СНС и аппаратура НИС с электронными картами выгодно дополняют друг друга. Их совместное применение позволяет отображать положение судна в реальном масштабе времени, что имеет особенное значение в стесненных водах. При использовании бумажных карт требуется определенное время для переноса места судна с приемоиндикатора СНС на карту, что вызывает запаздывание в отображении текущей позиции. Кроме того, на бумажной карте нет возможности отображать положение судна непрерывно, в динамике.

При использовании НИС с электронными картами на судне может быть установлен недорогой приемник СНС, так как дополнительные навигационные задачи в этом случае будут решаться самой НИС.

При работе GPS, ГЛОНАСС в дифференциальном режиме НИС оказывает значительную помощь судоводителю при плавании в стесненных водах, предоставляя с высокой точностью (1÷5м) в реальном времени положение судна на ЭК. Расширение сети опорных станций DGPS способствует значительному повышению роли НИС в обеспечении безопасного судовождения в ограниченных акваториях.

Краткая характеристика GPS. Спутниковая навигационная система Министерства Обороны США - GPS, называется также

NAVSTAR (Navigation System using Timing and Ranging).

Система состоит из 24 навигационных искусственных спутников Земли (НИСЗ), наземного командно-измерительного комплекса и аппаратуры потребителей. Она является глобальной, всепогодной, навигационной системой, обеспечивающей определение координат объектов с высокой точностью в трехмерном околоземном пространстве.

Спутники GPS помещены на шести средневысоких орбитах (высота 20183 км) и имеют период обращения 12 часов. Плоскости орбит расположены через 600 и наклонены к экватору под углом 550. На каждой орбите находится 4 спутника. 18 спутников – это минимальное количество для обеспечения видимости в каждой точке Земли не менее 4-х НИСЗ.

Система предназначена для обеспечения навигации воздушных и морских судов и определения времени с высокой точностью. Она может применяться в режиме двухмерной навигации – 2D (определение навигационных параметров объектов на поверхности Земли) и в трехмерном режиме – 3D (измерение навигационных параметров

122

объектов над поверхностью Земли). Для нахождения трехмерного положения объекта требуется измерить навигационные параметры не менее 4–х НИСЗ, а при двухмерной навигации – не менее 3–х НИСЗ.

ВGPS используется псевдодальномерный способ определения позиции и псевдорадиально–скоростной метод нахождения скорости объекта. Для повышения точности результаты определений сглаживаются с помощью фильтра Калмана.

Спутники GPS передают навигационные сигналы на двух частотах: F1=1575,42 и F2=1227,60 MГц. Режим излучения - непрерывный с псевдошумовой модуляцией. Навигационные сигналы представляют собой общедоступный С/А–код (coarse and acquisition code), передаваемый только на частоте F1, и защищенный Р–код

(precision code), излучаемый на частотах F1, F2.

ВGPS для каждого НИСЗ определен свой уникальный С/А-код и уникальный Р-код. Такой вид разделения сигналов спутников называется кодовым. Он позволяет бортовой аппаратуре распознавать, какому спутнику принадлежит сигнал, когда все они осуществляют передачу на одной частоте.

GPS предоставляет два уровня обслуживания потребителей:

точные определения (PPS – Precise Positioning Service) и стандартные данные (SPS – Standard Positioning Service). PPS основывается на точном коде, а SPS – на общедоступном. Уровень обслуживания РPS предоставляется военным и федеральным службам США, а SPS – массовому гражданскому потребителю.

Кроме навигационных сигналов, спутник регулярно передает сообщения, которые содержат информацию о состоянии спутника, его эфемеридах, системном времени, прогнозе ионосферной задержки, показателях работоспособности.

Бортовая аппаратура GPS состоит из антенны и приемоиндикатора. ПИ включает в себя приемник, вычислитель, блоки памяти, устройства управления и индикации. В блоках памяти хранятся необходимые данные, программы решения задач и управления работой приемоиндикатора.

Взависимости от назначения используется два вида бортовой аппаратуры: специальная и для массового потребителя.

Специальная аппаратура предназначена для определения кинематических параметров ракет, военных самолетов, кораблей и специальных судов. При нахождении параметров объектов в ней используются P и С/А коды. Эта аппаратура обеспечивает практически

непрерывные определения с точностью: местоположения объекта – 5÷7 м, скорости – 0.05÷0.15 м/с, времени – 5÷15 нс.

Аппаратура для массового потребителя, в том числе и для гражданских морских судов, уступает по своим характеристикам

123

специальной аппаратуре. Навигационные параметры объектов определяются в ней с использованием только С/А–кода. Эта аппаратура проще и дешевле специальной, но, тем не менее, способна обеспечивать довольно высокую точность обсерваций.

На начальном этапе эксплуатации GPS Министерство Обороны США посчитало предоставление такой точности всем без исключения потребителям потенциально опасным, и искусственно увеличивала погрешности местоопределения до 100 м. С этой целью для режима SPS формировались ошибки искусственного происхождения (погрешности режима селективного доступа), вносимые в сигналы на борту спутников. С 2000 г. Правительством США ввод искусственных ошибок в данные GPS был отменен.

Координаты места судна рассчитываются в бортовой аппаратуре GPS в системе WGS84. При необходимости они могут быть пересчитаны и выданы приемоиндикатором в других горизонтальных датумах.

Погрешности и ограничения. Основными источниками погрешностей, влияющих на точность бортовой аппаратуры GPS для массового потребителя, являются:

–Ионосферные погрешности, обусловленные задержками в распространении радиоволн в верхних слоях атмосферы, которые приводят к ошибкам обсерваций порядка 20÷30 м днем и 3÷6 м ночью.

–Тропосферные погрешности, причиной которых являются искажения в прохождении радиоволн через нижние слои атмосферы. Они не превышают 30 м.

–Эфемеридная погрешность, обусловленная разностью между расчетным и действительным положениями спутника, которая меньше 3 м.

–Погрешность измерения расстояния до спутника, обычно не превышающая 10 м.

Существенной проблемой, снижающей эффективность системы GPS, является недостаточное качество навигационных карт, составленных на основе геодезических съемок невысокой точности.

Краткая характеристика системы «ГЛОНАСС». Российская глобальная спутниковая навигационная система (ГЛОНАСС) состоит из 24 НИСЗ, наземного командно–измерительного комплекса и аппаратуры потребителей. Она является глобальной, всепогодной, навигационной системой, обеспечивающей определение координат объектов с высокой точностью в трехмерном околоземном пространстве.

Спутники ГЛОНАСС помещены на трех средневысоких орбитах (высота 19100 км) и имеют период обращения 11 часов 15 минут. Плоскости орбит расположены через 1200 и наклонены к экватору под углом 64.80. На каждой орбите находится 8 спутников.

124

Каждый спутник передает данные о своем точном положении и о позициях других НИСЗ. Спутники излучают навигационные сигналы на двух несущих частотах: F1 и F2. Режим излучения - непрерывный с псевдошумовой модуляцией. В отличие от GPS, каждый спутник ГЛОНАСС имеет свои значения F1 и F2. Значения частот F1 всех спутников ГЛОНАСС лежат в диапазоне 1602.6÷1615.5 MГц и отличаются у НИСЗ на величину, кратную 0.5625 MГц. Соответственно, значения частот F2 находятся в интервале 1246.4÷1256.5 МГц и не совпадают у спутников на величину, кратную

0.4375 МГц.

Навигационные сигналы представляют собой С/А–код, передаваемый только на частоте F1, и Р–код, излучаемый на частотах F1, F2. В отличие от GPS, где коды Р и С/А у спутников разные, в ГЛОНАСС они одинаковы для всех НИСЗ. Таким образом, в отличие от применяемого в GPS кодового метода в ГЛОНАСС реализован

частотный метод различения навигационных сигналов спутников.

Аппаратура пользователей включает оборудование, необходимое для сопровождения спутников, определения позиции, скорости и времени по данным орбит спутников и измерениям навигационных параметров. Для приема навигационных сигналов используется 24 частотных канала. В среднем точность определения положения с помощью специальной бортовой аппаратуры ГЛОНАСС составляет 8 метров. Если GPS имеет наилучшую точность в средних широтах, то ГЛОНАСС – в высоких.

В бортовой аппаратуре ГЛОНАСС положение определяющегося объекта рассчитывается в геодезической системе ПЗ90 (SGS90). При необходимости место объекта может быть представлено в другом горизонтальном датуме.

СНС «ГЛОНАСС» работает пока с неполным составом НИСЗ. В 2003 году на орбите находились 11 спутников этой системы. Программой Российской федерации предусматривается к 2006 году довести состав спутников до 18, а после 2006 г – до 24.

Несмотря на неполный состав ГЛОНАСС, приемники СНС, способные использовать навигационные сигналы обеих систем GPS и ГЛОНАСС, уже в настоящее время позволяют уменьшить погрешности GPS. Повышение точности и надежности определений достигается путем увеличения числа наблюдаемых спутников, улучшения геометрии их расположения, а также за счет использования обоих кодов ГЛОНАСС, что дает возможность более точно учесть ионосферную погрешность.

Основные характеристики GPS и ГЛОНАСС сведены в табл. 4.2, где UTC (USNO), UTC (SU) – универсальное координированное время военно-морской обсерватории США и Российской Федерации

125

(UTC – Coordinated Universal Time, USNO – US Naval Observatory, SU – Soviet Union или RF – Russian Federation).

					Таблица 4.2.
Основные характеристики среднеорбитальных СНС.
Характеристика				GPS	ГЛОНАСС
Количество навигационных спутников				24+3 (резервных)	24+3 (резервных)
Количество плоскостей орбит				6	3
Угол между	плоскостями		соседних	60	120
орбит, град.
Наклон плоскости орбит к экватору, град.				55	64,8
Радиус орбит, км.				20145	19100
Период обращения спутников				12 час	11 час 15 мин
Технологии разделения каналов				Кодовая	Частотная
Несущие частоты, МГц.
F1				1575,42	1602,56…1615,50
F2				1227,60	1246,44…1256,50
Навигационные сигналы:				C/A-код	C/A-код
Стандартной точности
Высокой точности				P-код	P-код
Частота последовательности импульсов в
навигационных сигналах, МГц:				1,023	0,511
С/А-код
Р-код				10,23	5,11
Режимы обслуживания				SPS, PPS	Единый
Системное время				UTC (USNO)	UTC (SU)
Опорная координатная система				WGS84	SGS90
Метод определения положения объекта				Псевдодальномерный	Псевдодальномерный
Метод определения скорости объекта				Псевдорадиально-	Псевдорадиально-
				скоростной	скоростной
Погрешности	(95%)	аппаратуры
гражданских	потребителей		при
определении:				36	28
Плановых координат, м.
Высоты, м				68	40
Скорости, м/с				0,4	0,3
Времени, мкс				0,68	1,4

В таблице не учтено, что последние модернизированные образцы бортовой аппаратуры GPS для гражданских морских судов в обычном (не дифференциальном) режиме обеспечивают точность получения горизонтальных координат ±10÷15 м.

Как можно заметить, приемоиндикаторы среднеорбитальных СНС по сути являются комбинированными датчиками параметров движения судна, измеряющими его координаты, путевой угол и путевую скорость. Кроме того, при небольшой доработке они дают возможность получать также курс судна и параметры бортовой и килевой качки (см. §4.5).

126

4.2.3. Перспектива спутниковых систем навигации.

Развитию спутниковых навигационных систем уделяется первостепенное внимание. Это объясняется, прежде всего, их универсальностью. СНС дают возможность получить информацию практически обо всех кинематических параметрах судна: о позиции, о путевом угле и путевой скорости, о курсе судна, о параметрах килевой

ибортовой качки. Кроме обеспечения судоводителей чисто навигационными данными, СНС позволяют решать задачи радиосвязи

иуправления потоками судов, осуществлять привязку систем единого времени, использоваться для синхронизации работы оборудования.

Интеграция среднеорбитальных СНС. Ближайшая (2003÷2005

гг.) перспектива развития среднеорбитальных СНС связана с их интеграцией. Под интеграцией спутниковых навигационных систем

понимается использование их общего радионавигационного поля при независимом управлении этими СНС. По этому направлению создается глобальная навигационная спутниковая система ГНСС (GNSS). Она строится путем интеграции систем GPS, ГЛОНАСС с дополнением их подсистемами стационарных спутников:

EGNOS (the European Geostationary Navigation Overlay Service) в

европейском регионе;

WAAS (the American Wide Area Augmentation System) в американском регионе;

MSAS (the Japanese Multi-functional Satellite Augmentation System) в

Японии.

EGNOS, WAAS, MSAS представляют собой широкозонные дифференциальные подсистемы, в которых передача поправок производится через стационарные спутники Инмарсат-3. В регионах, обслуживаемых этими подсистемами, точность определения положения будет не хуже ±10 м.

Спутниковая навигационная система GALILEO. СНС

GALILEO является европейским вкладом в GNSS. При создании этой системе обеспечивается как возможность автономной работы, так и способность к взаимодействию с другими СНС (GPS, ГЛОНАСС) в рамках GNSS. В полном объеме функционирование GALILEO начнется с 2008г.

GALILEO является гражданской глобальной, всепогодной, радионавигационной системой, предназначенной для обеспечения навигации береговых, морских и воздушных объектов в трехмерном околоземном пространстве. СНС GALILEO состоит из созвездия 30 НИСЗ, наземного командно–измерительного комплекса и аппаратуры потребителей.

127