Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ основных направлений развития глобальных навигационных спутниковых систем 8
1.1. Современное состояние ГНСС и краткосрочные программы их развития 8
1.2 Сравнительный анализ ГНСС 24
1.3 Анализ эволюции требований потребителей к качеству навигационного обеспечения 32
1.4 Выводы по главе 1 47
2. Принципы создания перспективной интегрированной ГНСС 48
2.1 Концепция определения путей развития ГНСС 48
2.2 Принципы системной интеграции ГНСС 61
2.3 Межсистемные принципы международной интеграции ГНСС 72
2.4 Выводы по главе 2 83
3. Методики и математические модели формирования космических программ 84
3.1 Методика развертывания и поддержания орбитальных группировок ГНСС 84
3.2 Методика ускоренной модернизации ГНСС 93
3.3 Методика оценки выполнения космических программ 102
3.4 Выводы по главе 3 117
4. Стратегия развития космической навигационной программы россии на долгосрочный период 118
4.1 Организация ускоренного проведения летных испытаний ГНСС 120
4.2 Определение стратегии развертывания и восполнения ОГ 129
4.3 Выбор концепции развития долговременной космической программы России 137
4.4 Выводы по главе 4 148
5. Заключение 150
Список литературы 152
- Современное состояние ГНСС и краткосрочные программы их развития
- Анализ эволюции требований потребителей к качеству навигационного обеспечения
- Концепция определения путей развития ГНСС
- Методика развертывания и поддержания орбитальных группировок ГНСС
Введение к работе
На огромных просторах России зачастую отсутствует какая-либо альтернатива космическим информационным системам и состояние отечественных космических систем, их технический уровень в существенной степени определяют степень информатизации и уровень безопасности России.
Так как транспортные потоки в настоящее время приняли межгосударственный, трансконтинентальный характер, применение глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) становиться необходимым и достаточным условием безопасности транспортных перевозок.
В настоящее время глобальное навигационное поле в основном поддерживается с помощью двух космических навигационных систем GPS (США) и ГЛОНАСС (РФ), дифференциальных дополнений к GPS: WAAS (США), EGNOS. Проводятся испытания европейской системы Galileo.
Отмечается большая динамика роста потребителей навигационных услуг, расширение номенклатуры пользователей (наземные, морские, воздушные, космические, специальные), повышаются требования к точности и надежности навигационного обеспечения, что обуславливает необходимость модернизации существующих ГНСС.
Осознание роли координатно-временного обеспечения в процессе вовлечения высоких информационных технологий во все сферы человеческой деятельности, создало предпосылки к поиску путей системной интеграции ГНСС, а так же интеграции отечественной ГНСС в международную GNSS-2.
Поэтому разработка принципов и методов создания (модернизации) интегрированных глобальных навигационных спутниковых систем является актуальной научно-технической задачей, имеющей прикладное значение.
Целью диссертационной работы является разработка комплексного подхода к созданию интегрированных глобальных навигационных спутниковых систем, конкурентоспособных на рынке космических услуг.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
исследование и анализ тенденций развития ГНСС и эволюция требований потребителей;
разработка комплексного подхода к созданию интегрированных ГНСС;
разработка и обоснование показателей эффективности и затрат, а также критериев выбора параметров интегрированных ГНСС;
разработка методик и математических моделей формирования космических программ создания интегрированных ГНСС и контроля их реализации.
Объект исследования: глобальные навигационные спутниковые сис-
темы.
Предмет исследования: процесс создания ГНСС.
Методы исследования: основаны на методах системотехники и исследования операций, методах теории случайных процессов.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
1) Разработан комплексный подход к созданию интегрированных
ГНСС, основанный на внутрисистемной интеграции составных элементов на
базе иерархических и концептуальных принципов, а также межсистемной
(международной) интеграции разнородных ГНСС на базе принципов взаимо
дополнения космических сегментов и использования интегрированной аппа
ратуры пользователей;
2) Разработана методика развертывания и поддержания орбитальных
группировок, основанная на комплексировании детерминированной и веро-
ятностной модели стратегий запуска КА по критерию минимум затрат на реализацию космической программы;
Разработана методика ускоренной модернизации ГНСС, основанная на организации комбинированных запусков КА, ускоренного проведения летных испытаний и упреждающей отработки перспективных космических технологий;
Разработана методика оценки выполнения космической программы с использованием показателей финансового мониторинга, показателей текущих прямых результатов реализации космической программы и обобщенных показателей.
Достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием предлагаемых методов и моделей, а также результатами разработки и испытаний навигационных спутниковых систем.
Практическая значимость работы заключается в обосновании принципов построения интегрированной ГНСС, оптимизации стратегии ее разработки, испытаний и развертывания штатной конфигурации, в создании корректных методов контроля реализации космической программы создания ГНСС.
Реализация результатов. Результаты, представленные в работе, использованы при корректировке Федеральной целевой программы "Глобальная навигационная система", положены в основу ТТЗ на разработку эскизного проекта перспективной (до 2020 г.) ГНСС (НИР "Концепция-КМ").
Апробация работы. Основные результаты исследований опубликованы в отчете по НИР, в четырех статьях, докладывались автором на международной конференции "Авиация и космонавтика" г. Москва (2006 г.), на конференции "Решетневские чтения" г. Красноярск (2006 г.), на военно-научной конференции г. Санкт-Петербург (2007 г.).
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы.
Она изложена на 1578 страницах машинописного текста, включает 16 рисунков, 17 таблиц, список литературы из 57 наименований.
В первой главе проведен анализ основных направлений развития глобальных навигационных спутниковых систем (отечественных и зарубежных), проведен их сравнительный анализ, сформулированы основные требования к качеству навигационного обеспечения перспективных потребителей (военных и гражданских).
Во второй главе рассмотрены принципы интеграции ГНСС и разработан комплексный подход к созданию перспективной интегрированной ГНСС: внутрисистемный и межсистемный, сформулированы критерии оценки характеристик интегрированной ГНСС.
В третьей главе рассмотрены подходы к формированию космических программ, разработаны методики развертывания и поддержания ОГ ГНСС, ускоренного проведения летных испытаний и оценки выполнения космических программ, разработаны показатели, критерии, математические модели для каждой методики.
В четвертой главе представлено обоснование стратегии долгосрочного развития перспективной ГНСС России с помощью разработанного подхода к созданию интегрированных ГНСС.
На защиту выносится:
комплексный подход к созданию интегрированных ГНСС;
методика развертывания и поддержания ОГ ГНСС;
методика ускоренной модернизации ГНСС;
методика оценки выполнения космической программы.
Автор выражает благодарность сотрудникам обширной кооперации предприятий, с которыми ему посчастливилось работать в процессе создания ГНСС ГЛОНАСС, а также благодарит за обсуждение работы к.т.н. Косенко В.Е.,к.т.н. Чеботарева В.Е.
1. АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ РАЗВИТИЯ ГЛОБАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ
Современное состояние ГНСС и краткосрочные программы их развития
В настоящее время глобальное навигационное поле в интересах отечественных потребителей поддерживается, в основном, с помощью ГНСС ГЛОНАСС на средневысоких круговых орбитах высотой около 20000 км и наклонением около 65[6,8,32,47].
ГНСС ГЛОНАСС принята в опытную эксплуатацию в 1993 г., в 1995 г. развернута орбитальная группировка (ОГ) полного состава - до 24 космических аппаратов (КА) и начата штатная эксплуатация. Система обеспечивает непрерывную глобальную навигацию всех типов потребителей с различным уровнем требований к качеству навигационного обеспечения путем использования сигналов стандартной и высокой точности с вероятностью 0,95 при 18 КА и 0,997 при 24 КА в ОГ. ГНСС ГЛОНАСС аналогична ГНСС GPS и в штатной комплектации ОГ по выходным показателям ей не уступает [11,13,16,33,46].
Сокращение финансирования космической отрасли в 1990-х гг. привело к деградации орбитальной группировки ГНСС ГЛОНАСС, снижению ее выходного эффекта. В целях сохранения и развития системы в 2000-2001 гг. Президентом и Правительством РФ утвержден ряд директивных документов, основным из которых является федеральная целевая программа "Глобальная навигационная система" [57]. Она предусматривает создание глобального навигационного поля для определения координат объектов с высокой степенью точности и достоверности, внедрение спутниковых навигационных технологий в информационные контуры управления движением, повышение уровня
безопасности в дорожно-транспортном комплексе страны, значительное снижение эксплуатационных расходов, отказ в перспективе от использования традиционных наземных навигационных радиотехнических средств.
Объединение работ, проводимых в рамках единой программы, позволяет более эффективно осуществлять координацию федеральных органов и субъектов РФ, заинтересованных в использовании и развитии системы ГЛО-НАСС как в социально-экономической, так и в военной сферах, сосредоточить бюджетные средства на реализации приоритетных целей (задач), создать основу для привлечения внебюджетных источников.
Заказчиками работ по данной программе были определены Росавиакосмос (координатор), Минобороны, Минтранс, Российские автоматизированные системы управления, Роскартография.
В рамках реализации программы (2002-2011 гг.) предусматриваются: проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ; наземная экспериментальная отработка и летные испытания перспективных навигационных КА; модернизация наземного комплекса управления навигационной системой; создание ОГ в составе, достаточном для внедрения предоставляемых ею услуг отечественными и зарубежными потребителями; налаживание производства навигационной потребительской аппаратуры системы ГЛОНАСС и ее функциональных дополнений; оснащение средствами высокоточной дифференциальной навигации транспортных объектов в районах аэропортов, морских, речных портов, городских транспортных систем крупных городов, транспортных терминалов и автомобильных дорог на территории
России, а также всех транспортных объектов, работающих на международных коммуникациях; создание принципиально новой, отвечающей потребностям эко номики и соответствующей мировому уровню системы геодези ческого обеспечения страны.
Выполнение программы обеспечит внедрение новейших космических технологий в социально-экономическую, научную и оборонную сферу, сохранение независимости РФ в области спутниковой навигации как одного из важнейших стратегических элементов национальной безопасности, расширение международного сотрудничества в области спутниковой навигации.
С принятием программы в России развернулись опытно-конструкторские работы по созданию модернизированной глобальной навигационной спутниковой системы (МГНСС) ГЛОНАСС.
Модернизация системы ГЛОНАСС осуществляется исходя из следующих основных положений[47,51]: сохранение орбитальной конфигурации (три плоскости по 8 КА в каждой), параметров орбит (Н = 19400 км, і = 64,8, е = 0) и 21-24 КАвОГ; расширение возможностей радионавигационного сигнала (введение третьей частоты, увеличение информативности и т.д.), переход в новый частотный диапазон при сохранении возможности работы существующего парка потребителей системы ГЛОНАСС; повышение надежности, точности и автономности навигационного обеспечения путем использования межспутниковых измерений; сокращение расходов на поддержание ОГ путем снижения затрат на выведение КА, увеличения их ресурса и уменьшения массы, повышения автономности функционирования;
Анализ эволюции требований потребителей к качеству навигационного обеспечения
Области применения системы ГЛОНАСС и потребители её коорди-натно-временной навигационной информации определяются двойным назначением этой системы [10,42,48].
Это прежде всего области, связанные с укреплением национальной безопасности и обороноспособности нашей страны [27,28,34,43,44,45,52], иными словами, с выполнением задач МО и ФСБ РФ таких, как: проведение специальных операций; существенное повышение эффективности управления войсками; организация взаимодействия различных видов вооружённых сил при проведении воинских учений и боевых операций; боевое применение различных видов вооружений путём высокоточного координатно-временного обеспечения в реальном масштабе времени потребителей МО РФ; повышение эффективности обычных видов вооружений за счёт оснащения всех родов войск специальными навигационными средствами функционального дополнения.
Что касается областей гражданского применения, то их можно условно разделить на три вида: глобальные, национальные (региональные) и локальные [18,48]. Области применения ГНСС для гражданских потребителей
Глобальные области включают: формирование общеземной геодезической и геоцентрической систем координат; распространение единой глобальной высокоточной шкалы времени; создание общеземной системы слежения за движениями земной коры; координатно-временное обеспечение операций в космическом пространстве, международной службы вращения Земли, процесса дистанционного зондирования Земли, работ, осуществляемых методом спутниковой альтиметрии с целью слежения за уровнем Мирового океана и др.; функционирование в составе системы COSPAS-SARSAT поиска и спасения (Search and Rescue) терпящих бедствие объектов; навигационное обеспечение полётов и плаваний на трансконтинентальных трассах; навигационно-геодезическое обеспечение в реальном времени съёмочных и исследовательских работ в зоне открытого моря (вне пределов территориальных вод прибрежного государства) Мирового океана.
Региональные области включают: формирование государственных геодезических систем координат; физическую реализацию на территории государств национальных систем координат и сетей сгущения; распространение на территорию государств национальных шкал времени; геодезическое обеспечение кадастровых работ, топографических, геологоразведочных, геофизических, изыскательских и других экспедиционных работ; навигационное обеспечение полётов воздушных судов на внутригосударственных трассах; плаваний коммерческих и научно-исследовательских судов по рекомендованным курсам в зонах юрисдикции прибрежных государств на акваториях Мирового океана, а также на акваториях внутренних водоёмов; организацию координатно-временного обеспечения всепогодных систем взлёта и посадки воздушных судов на аэродромах любого класса; навигационно-геодезическое обеспечение топографических, геолого-геофизических и других инженерно-изыскательских работ, выполняемых в пределах исключительной экономической зоны и континентального шельфа прибрежных государств на акваториях внутренних водоёмов; юридическое разграничение и демаркация государственных и иных границ.
Локальные области включают: создание местных геодезических сетей; навигационное обеспечение полётов воздушных судов на местных авиалиниях; геодезическое обеспечение крупных строительных работ на суше и на воде, трассировка и прокладка коммуникаций, горно-маркшейдорских работ, работ по обследованию и расчистке водоёмов, в том числе водоёмов-охладителей атомных электростанций;
Концепция определения путей развития ГНСС
Основными целями Федеральной целевой программы "Глобальная навигационная система" являются[57].
1). дальнейшее развитие и эффективное использование ГНСС ГЛО-НАСС в интересах социально-экономического развития России и обеспечение национальной безопасности;
2). сохранение Россией лидирующих позиций в области спутниковой навигации за счет гарантированного предоставления навигационных сигналов отечественным и зарубежным потребителям.
Исходя из поставленных целей, сформулируем основные принципы развития перспективной ГНСС России[42,53].
1). Основу навигационного и временного обеспечения России должна составлять национальная глобальная космическая система ГЛОНАСС, которая должна быть интегрирована во все области деятельности в интересах социально-экономического развития России и обеспечение национальной безопасности;
2). Развитие системы должно осуществляться в рамках новой федеральной целевой программы, обеспечивающей координацию усилий по сбалансированному развитию всех элементов системы в рамках выделенных ассигнований на всех этапах развития системы в целях получения военного и экономического эффекта. Финансирование разработки и развертывания системы должно осуществляться на основе государственного бюджета. Допускается привлечение частных и внебюджетных источников финансирования при создании региональных и локальных дополнений к системе, предоставляющих навигационные услуги потребителям;
3). Система должна быть двойного назначения и решать задачи в интересах военных и гражданских потребителей (излучать двойной сигнал: высокой точности и стандартной точности);
4). Система должна быть интегрирована с другими спутниковыми национальными системами (GPS, Galileo), но обеспечивать независимо от них заданные характеристики, которые, по крайней мере, не должны уступать характеристикам зарубежных систем;
5). В системе должны быть реализованы режимы, исключающие несанкционированное использование высокоточных навигационных каналов и обеспечивающие селективный доступ к каналам стандартной точности, реализован комплекс мероприятий по повышению боевой устойчивости, обеспечивающих защищенность от несанкционированного внедрения в управление, искусственных преднамеренных помех, атак террористов и т.д.;
6). Система должна строится как многофункциональная, эффективно использующая свойство многократного покрытия орбитальной группировки и располагаемые ресурсы КА, для размещения дополнительной полезной нагрузки.
Выше изложенные принципы могут быть обеспечены с использованием различных подходов к выбору архитектуры системы, параметров навигационных сигналов, методов эфемеридно-временного обеспечения.
Сложные технические системы разрабатываются с использованием общей теории систем, именуемой системотехникой[1,2,3,4,5,17].
Как методология проектирования больших технических систем системотехника основана на рациональном сочетании эвристических приемов, обобщающих опыт, интуицию и здравый смысл, с численными методами анализа и синтеза, ориентированными на применение современных ЭВМ.
Сущность системного подхода к проектированию сложных технических систем может быть резюмирована следующими тезисами:
1. Система рассматривается и проектируется как единое целое. Вы деляются лишь те свойства ее элементов, которые определяют особенности их взаимосвязи с другими элементами или непосредственно влияют на свой ства системы в целом.
Модель системы должна полностью отражать основные черты системы и в то же время быть достаточно простой, чтобы найти практическое применение.
2. Система должна оптимизироваться в целом на самом высоком уровне по количественно определенному и единственному критерию, как единый объект с заданным целевым назначением.
3. Критерий оптимальности должен представляться в виде целевой функции показателей качества системы. Основное требование к критерию -высокая чувствительность к основным характеристикам системы, ее построению и логике функционирования, а также существенное влияние на критерий качества системы следующего более высокого иерархического уровня.
4. Необходимо стремиться к разработке удачного принципа построения и функционирования системы, допускающего ее совершенствование без необходимости глубоких изменений составляющих ее элементов и эффективно обеспечивающего получение желаемого результата.
Проектирование оптимальных в строгом смысле систем осуществляется математическими методами и требует математического описания системы, разработки ее математической модели.
Методологической основой решения задач оптимизации технических систем является теория исследования операций, поэтому, следуя концепции этой теории, дадим формальное описание системы и представим задачу проектирования в математической форме.
Методика развертывания и поддержания орбитальных группировок ГНСС
Структуру орбитальной группировки ГНСС можно охарактеризовать следующими показателями[14,15]: а) количество орбитальных плоскостей и размещение восходящих уз лов орбит в плоскости экватора; б) количество КА в орбитальной группировке и их распределение по плоскостям, их размещение внутри плоскости и взаимное фазирование меж ду КА в соседних плоскостях; в) параметры орбиты КА.
Тип и свойства орбитальной группировки (ОГ) определяют номенклатуру применяемых средств выведения и стратегию их использования.
Для многоплоскостных ОГ с несколькими КА в каждой плоскости возникает необходимость взаимной расстановки КА в плоскости и поддержание взаимной конфигурации на весь период функционирования КА. Этот тип ОГ относится к сетевым ОГ с корректируемыми орбитами. Для сетевых ОГ экономически оправдано использование групповых схем выведения КА, особенно на этапе развертывания ОГ.
Для многоплоскостных ОГ с одним КА в каждой плоскости применяются одиночные схемы выведения.
Восполнение КА в ОГ может быть осуществлено с использованием следующих критериев [50]: 1) после полного отказа КА; 2) по прогнозу появления полного отказа КА; 3) по истечению гарантийного срока; 4) из-за экономической или технической нецелесообразности дальнейшей эксплуатации.
Использование критериев восполнения 1 и 2 приводит к необходимости построения вероятностной модели существования ОГ. Использование критериев 3 и 4 приводит к возможности применения детерминированной модели существования ОГ.
Орбитальная группировка ГНСС в варианте однотипных КА имеет три фазы существования: развертывание, поддержание и деградация.
В случае модернизации ОГ темпы обновления подбираются такими, чтобы суммарное количество КА в ОГ сохранялось постоянным (деградация старых КА компенсируется развертыванием новых КА).
В формализованном виде состояние ОГ [X(t) - текущее количество КА в ОГ] описывается в виде дискретного марковского случайного процесса (процесса "гибели" и "размножения"), в котором множество состояний X (t) ставится в однозначное соответствие с рядом целых неотрицательных чисел К = 0,1...п. Причем соседние состояния отличаются на ± 1 (кроме крайних значений).
Все вероятностные характеристики процессов "гибели" и "размножения" зависят только от следующих параметров: количества состояний 0 К п + 1; интенсивности потока восполнения Хк; интенсивности потока отказов цк.
При этом интенсивности потоков Хк, [ік являются математическими ожиданиями некоторых случайных функций. Рассмотрим несколько вариантов модельного описания состояния ОГ[50].
Модель 1. Показатели интенсивности постоянны: Хк=кв, цк=к-цот. Отсутствуют ограничения на количество состояний (п-»оо).
При этом интенсивность потока событий А,в - интенсивность запуска КА на орбиту, интенсивность потока событий іот - интенсивность полных отказов КА, а состояние Хк состоит в том, что в момент времени t работоспособны К единиц КА. Рассмотрим случайную величину X (t) - число КА в ОГ в момент времени t и найдем ее характеристики. Этап развертывания ОГ характеризуется следующими показателями: начальное и конечное количество КА в ОГ (ЩА , NfA ); количество запущенных КА для создания ОГ ( ЩАГ); длительность развертывания ОГ (/ .) с заданной вероятностью
У. - Oaf.(да) Применение различных методик с различными стратегиями развертывания ОГ приводит к различным значениям вышеизложенных показателей. Выбор стратегий развертывания ОГ и методик их оценки проведем с использованием следующего критерия: минимум затрат на развертывание ОГ за заданное время с требуемой вероятностью
