Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ точностных и надежностных характеристик аппаратуры потребителей срнс при работе в высоких широтах 18
1.1. Требования, предъявляемые к навигационному обеспечению воздушного судна при решении задач полета в аэродромной зоне, взлета, захода на посадку и посадки 18
1.2. Точностные и надежностные характеристики АП СРНС при полной и усеченной орбитальной группировке НКА СРНС ГЛОНАСС в высоких широтах 23
1.3. Дифференциальный режим и контроль целостности СРНС 34
1.4. Основные результаты и выводы 39
2. Влияние условий распространения навигационных сигналов и воздействия возмущающих факторов в высоких широтах на точностные и надежностные характеристики аппаратуры потребителей СРНС 41
2.1. Характеристики внешних воздействующих факторов в высоких широтах, влияющих на качество функционирования АП СРНС 41
2.2. Характеристики внешних воздействующих факторов в высоких широтах, влияющих на качество функционирования дифференциальных подсистем 44
2.3. Моделирование мешающих факторов АП СРНС в высоких широтах 49
2.4. Основные результаты и выводы 68
3. Улучшение точностных и надежностных характеристик аппаратуры потребителей СРНС глонасс в высоких широтах с использованием псевдоспутников 70
3.1. Особенности реализации системы навигации в высоких широтах при использовании ПС 74
3.2. Моделирование навигационной системы на основе псевд о спутников для оценки точности определения навигационных параметров аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем в совместном и автономном режимах работы 83
3.2.1 Модель автономной НСПС 88
3.2.2 Модель НСПС работающей совместно с СРНС 88
3.3. Комплексирование СРНС с функциональными дополнениями и другими навигационными средствами для проведения специальных работ с применением ВС ГА в высоких широтах 92
3.4. Основные результаты и выводы 100
Заключение 102
Список использованных источников 104
- Точностные и надежностные характеристики АП СРНС при полной и усеченной орбитальной группировке НКА СРНС ГЛОНАСС в высоких широтах
- Характеристики внешних воздействующих факторов в высоких широтах, влияющих на качество функционирования АП СРНС
- Характеристики внешних воздействующих факторов в высоких широтах, влияющих на качество функционирования дифференциальных подсистем
- Моделирование навигационной системы на основе псевд о спутников для оценки точности определения навигационных параметров аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем в совместном и автономном режимах работы
Введение к работе
Актуальность работы. Спутниковые радионавигационные системы (СРНС) типа ГЛОНАСС (РФ) [1] и GPS (США) позволяют, в принципе, решать практически все навигационные задачи, возникающие при эксплуатации воздушных судов (ВС) гражданской авиации (ГА) [18].
Тем не менее, при использовании аппаратуры потребителей (АЛ) СРНС существуют навигационные задачи (НЗ), требующие не только высокой точности определения навигационных параметров объекта, но и обеспечения более высоких показателей доступности и непрерывности навигационных определений (НО), чем те, которые предоставляют орбитальные группировки ГЛОНАСС и GPS. Особенно остро такие требования предъявляются в высоких широтах (выше 6500' 00" с.ш.), где радиовидимость навигационных космических аппаратов (НКА) СРНС имеет низкий показатель доступности, а также велико влияние высокоширотной ионосферы на рассеивание радиоволн [24,33].
В работе рассматривается только СРНС ГЛОНАСС вследствие следующих факторов [34]:
Указ Президента РФ от 18.05.07 "Об использовании глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС в интересах социально-экономического развития РФ".
Выступление 17 сентября 2008 президента Российской Федерации на заседании Совета Безопасности «О защите национальных интересов России в Арктике».
3. Основы государственной политики Российской Федерации в
Арктике на период до 2020 года и дальнейшую перспективу. Утверждены 18
сентября 2008 Президентом РФ.
Также правительством США неоднократно было объявлено о возможном восстановлении режима селективного доступа (Selective
7 Availability - SA) в СРНС GPS на время проведения военных действий или для определенных районов Земли.
Так как в режиме селективного доступа точность навигационных определений (2СКО) при использовании СРНС GPS составляет порядка 100...200 метров и в связи с указаниями Президента РФ о модернизации СРНС ГЛОНАСС и освоении арктических территорий в работе глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС [11,14] рассматривается как единственное средство спутниковой навигации.
На рис. 1, 2, 3, 4 и 5 показаны значения позиционного геометрического фактора (ГФ) по земной поверхности [35], отображающего во сколько раз радиальная ошибка местоопределения превышает ошибку определения псевдодальности (ПД) до НКА СРНС ГЛОНАСС для 5 дней в 2009 году (показатель минимального угла места НКА > 5): 30 сентября, 8, 14, 15 и 21 декабря.
Время: 16:49:42 30.09.2009 (декретное Московское время )
Долгота
і
Геометрический фактор:
>б
Рис Л. Значения позиционного геометрического фактора 30 сентября 2009 года в 15:49 по декретному Московскому времени
Время: 15:09:32 08.12.2009 (декретное Московское время )
Долгота
Геометрический фактор:
>6
Рис.2. Значения позиционного геометрического фактора 8 декабря 2009 года в 15:09 по декретному Московскому времени
Время: 20:11:31 14.12.2009 (декретное Московское время )
-180 -160 -140 -120 -100 -80 90 .
Долгота
Геометрический фактор:
>б
Рис.3. Значения позиционного геометрического фактора 14 декабря 2009 года в 20:11 по декретному Московскому времени
Время: 18:06:03 15.12.2009 (декретное Московское время )
:180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 18(
Долгота Геометрический фактор:
>б
Рис.4. Значения позиционного геометрического фактора 15 декабря 2009 года в 18:06 по декретному Московскому времени
Время: 08:32:52 21.12.2009 (декретное Московское время )
Долгота Геометрический фактор:
>б
Рис.5. Значения позиционного геометрического фактора 21 декабря 2009 года в 8:32 по декретному Московскому времени
Проанализировав данные, приведенные на рис. 1, 2, 3, 4 и 5, можно сделать вывод, что в высоких широтах имеет место возникновение плохой навигационной обстановки, когда значения позиционного геометрического фактора будут > 6.
С учетом того, что безопасность полетов ВС в значительной степени зависит от надежности и точности навигационной информации, необходимо создавать функциональные дополнения СРНС для повышения этих показателей. Задача может быть решена при использовании некоего наземного дополнения, работающего совместно с космическим сегментом системы. В качестве одного из вариантов такого дополнения могут рассматриваться псевдоспутники (ПС).
Под псевдоспутником подразумевают радиотехническое устройство с наземным базированием, сигнал которого должен быть синхронизован с сигналами СРНС ГЛОНАСС (далее по тексту «СРНС»), а параметры сигнала и его формат близки к параметрам и формату сигналов СРНС [3].
Радиус действия псевдоспутников невелик (от 1 до 50 км), а геометрические особенности их расположения (в плоскости горизонта) не позволяют эффективно определять третью координату (высоту) при использовании навигации только по сигналам псевдоспутника, поэтому для обеспечения навигации ВС целесообразно комплексирование ПС с космическим сектором СРНС. При этом обеспечение навигационного поля в высоких широтах является наиболее привлекательной сферой применения систем на базе псевдоспутников. В этом случае посредством размещения псевдоспутников в стационарных точках возможно обеспечить оптимальную геометрию излучателей и, соответственно, стабильное навигационное обеспечение пользователей.
Нетрудно заметить, что подобная архитектура навигационных сервисов существенно отличается от локальных, региональных или широкозонных дифференциальных подсистем. Если использование
последних возможно только в случае стабильного приема сигналов ГЛОНАСС, то с помощью псевдоспутников теоретически можно обеспечить относительную навигацию даже в отсутствие сигналов от НКА.
В настоящей работе рассматриваются требования к следующим характеристикам АП СРНС:
1) точностные характеристики:
навигационные геодезические параметры: широта (В), долгота (L) и высота (Н);
общий геометрический фактор изменения точности (GDOP), а также геометрические факторы при определении места в пространстве (PDOP), в горизонтальной плоскости (HDOP) и вертикальной плоскости (VDOP).
2) надежностные характеристики:
- доступность (готовность), мерой которой является вероятность
работоспособности СРНС перед выполнением той или иной НЗ или в
процессе ее выполнения;
- целостность, мерой которой является вероятность выявления отказа
в течение времени, не превышающего заданное;
- непрерывность обслуживания, мерой которой служит вероятность
работоспособности системы в течение наиболее ответственных отрезков
времени выполнения НЗ.
Рассматриваются вопросы расширения функциональных
возможностей СРНС, в частности обеспечения решения задач посадки ВС в высоких широтах на необорудованные площадки. При решении этих задач, в первую очередь, необходим сравнительный анализ точностных и надежностных показателей НО, перспективных с точки зрения применимости их для обеспечения посадки ВС в высоких широтах. Кроме того, необходим анализ факторов, влияющих на точность местоопределения ВС при полетах в высоких широтах. При этом особый интерес представляет рассмотрение и совершенствование относительных НО, которые обладают тем преимуществом перед обычными дифференциальными НО, что не
требуют геодезической привязки контрольной станции и следовательно применимы для обеспечения посадки ВС на необорудованные площадки типа льдины или палубы корабля.
Помимо решения навигационных задач, связанных с грузопассажирскими перевозками в высоких широтах, осуществляемыми ВС гражданской авиации, система навигации на базе ПС и НКА СРНС открывает широкие перспективы в проведении специальных работ с применением авиации, связанных с необходимостью высокоточного местоопределения подвижных объектов. Сюда относятся, в частности, задачи поиска и спасения терпящих бедствие, ледовой разведки, топогеодезии и др.
Рассмотрению круга перечисленных вопросов и посвящена диссертационная работа, что определяет актуальность проводимых в ней исследований.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка рекомендаций по улучшению точностных и надежностных характеристик АП СРНС в высоких широтах при комплексной обработке сигналов СРНС, локальной дифференциальной системы и псевдоспутников для решения задач посадки ВС и проведения специальных работ, связанных с необходимостью высокоточного определения координат.
Для достижения поставленной цели необходимо было решение следующих задач:
анализ существующих требований категорированной посадки воздушных судов и оценка точностных и надежностных характеристик аппаратуры потребителей СРНС в высоких широтах;
анализ факторов, воздействующих на распространение радиосигналов СРНС и ее функциональных дополнений в высоких широтах;
разработка рекомендаций по использованию космического и
наземного сегментов комплексированной навигационной системы для
обеспечения посадки ВС в высоких широтах.
Методы исследований. При решении перечисленных задач были использованы прикладные методы теории вероятностей и теории случайных процессов, методы теории оптимального оценивания, а также методы математического моделирования.
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней впервые предложены пути улучшения точностных и надежностных показателей АП СРНС в высоких широтах при использовании навигационной системы с космическим и наземным базированием излучателей.
В диссертации получены следующие основные результаты:
произведена сравнительная оценка показателей точностных и надежностных характеристик аппаратуры потребителей СРНС при ее эксплуатации в высоких широтах;
произведен системный анализ помеховой обстановки и условий распространения радиосигналов СРНС и ее функциональных дополнений в высоких широтах;
разработаны рекомендации по построению и эксплуатации навигационной системы с космическим и наземным базированием излучателей;
разработаны рекомендации по улучшению точностных и надежностных показателей аппаратуры потребителей СРНС в высоких широтах.
На защиту выносятся:
результаты анализа влияния совместного использования излучателей с
космическим и наземным базированием на точностные и надежностные
характеристики аппаратуры потребителей спутниковых
радионавигационных систем при работе в высоких широтах;
рекомендации по построению комплексированной навигационной
системы с космическим и наземным базированием излучателей в
высоких широтах.
Практическая значимость диссертационной работы состоит в том, что предложенный способ улучшения точностных и надежностных характеристик АП СРНС в высоких широтах на основе использования НКА и псевдоспутников позволяет:
улучшить точностные и надежностные характеристики АП СРНС в высоких широтах;
производить посадку ВС ГА в высоких широтах на аэродромы, не оснащенные высокоточными системами посадки, и на необорудованные площадки типа льдины и палубы корабля;
обеспечивать требуемый уровень безопасности проведения полетов ВС ГА и выполнение специальных задач в высоких широтах.
Апробация результатов. Основные научные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Международных научно-технических конференциях "Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества" (М., 2006 г., 2008 г.) и «Цифровая обработка сигналов и ее применение» (РНТОРЭС, М., 2008 г.).
Публикация результатов. Основные научные результаты диссертации опубликованы в 4-х статьях и 4-х тезисах докладов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованных источников. Диссертация содержит 107 страниц текста, 31 рисунок, 12 таблиц и библиографию из 36 наименований.
Точностные и надежностные характеристики АП СРНС при полной и усеченной орбитальной группировке НКА СРНС ГЛОНАСС в высоких широтах
Проанализировав данные, приведенные на рис. 1, 2, 3, 4 и 5, можно сделать вывод, что в высоких широтах имеет место возникновение плохой навигационной обстановки, когда значения позиционного геометрического фактора будут 6.
С учетом того, что безопасность полетов ВС в значительной степени зависит от надежности и точности навигационной информации, необходимо создавать функциональные дополнения СРНС для повышения этих показателей. Задача может быть решена при использовании некоего наземного дополнения, работающего совместно с космическим сегментом системы. В качестве одного из вариантов такого дополнения могут рассматриваться псевдоспутники (ПС).
Под псевдоспутником подразумевают радиотехническое устройство с наземным базированием, сигнал которого должен быть синхронизован с сигналами СРНС ГЛОНАСС (далее по тексту «СРНС»), а параметры сигнала и его формат близки к параметрам и формату сигналов СРНС [3].
Радиус действия псевдоспутников невелик (от 1 до 50 км), а геометрические особенности их расположения (в плоскости горизонта) не позволяют эффективно определять третью координату (высоту) при использовании навигации только по сигналам псевдоспутника, поэтому для обеспечения навигации ВС целесообразно комплексирование ПС с космическим сектором СРНС. При этом обеспечение навигационного поля в высоких широтах является наиболее привлекательной сферой применения систем на базе псевдоспутников. В этом случае посредством размещения псевдоспутников в стационарных точках возможно обеспечить оптимальную геометрию излучателей и, соответственно, стабильное навигационное обеспечение пользователей.
Нетрудно заметить, что подобная архитектура навигационных сервисов существенно отличается от локальных, региональных или широкозонных дифференциальных подсистем. Если использование последних возможно только в случае стабильного приема сигналов ГЛОНАСС, то с помощью псевдоспутников теоретически можно обеспечить относительную навигацию даже в отсутствие сигналов от НКА.
В настоящей работе рассматриваются требования к следующим характеристикам АП СРНС: 1) точностные характеристики: - навигационные геодезические параметры: широта (В), долгота (L) и высота (Н); - общий геометрический фактор изменения точности (GDOP), а также геометрические факторы при определении места в пространстве (PDOP), в горизонтальной плоскости (HDOP) и вертикальной плоскости (VDOP). 2) надежностные характеристики: - доступность (готовность), мерой которой является вероятность работоспособности СРНС перед выполнением той или иной НЗ или в процессе ее выполнения; - целостность, мерой которой является вероятность выявления отказа в течение времени, не превышающего заданное; - непрерывность обслуживания, мерой которой служит вероятность работоспособности системы в течение наиболее ответственных отрезков времени выполнения НЗ. Рассматриваются вопросы расширения функциональных возможностей СРНС, в частности обеспечения решения задач посадки ВС в высоких широтах на необорудованные площадки. При решении этих задач, в первую очередь, необходим сравнительный анализ точностных и надежностных показателей НО, перспективных с точки зрения применимости их для обеспечения посадки ВС в высоких широтах. Кроме того, необходим анализ факторов, влияющих на точность местоопределения ВС при полетах в высоких широтах. При этом особый интерес представляет рассмотрение и совершенствование относительных НО, которые обладают тем преимуществом перед обычными дифференциальными НО, что не требуют геодезической привязки контрольной станции и следовательно применимы для обеспечения посадки ВС на необорудованные площадки типа льдины или палубы корабля. Помимо решения навигационных задач, связанных с грузопассажирскими перевозками в высоких широтах, осуществляемыми ВС гражданской авиации, система навигации на базе ПС и НКА СРНС открывает широкие перспективы в проведении специальных работ с применением авиации, связанных с необходимостью высокоточного местоопределения подвижных объектов. Сюда относятся, в частности, задачи поиска и спасения терпящих бедствие, ледовой разведки, топогеодезии и др. Рассмотрению круга перечисленных вопросов и посвящена диссертационная работа, что определяет актуальность проводимых в ней исследований. Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка рекомендаций по улучшению точностных и надежностных характеристик АП СРНС в высоких широтах при комплексной обработке сигналов СРНС, локальной дифференциальной системы и псевдоспутников для решения задач посадки ВС и проведения специальных работ, связанных с необходимостью высокоточного определения координат. Для достижения поставленной цели необходимо было решение следующих задач: анализ существующих требований категорированной посадки воздушных судов и оценка точностных и надежностных характеристик аппаратуры потребителей СРНС в высоких широтах; анализ факторов, воздействующих на распространение радиосигналов СРНС и ее функциональных дополнений в высоких широтах.
Характеристики внешних воздействующих факторов в высоких широтах, влияющих на качество функционирования АП СРНС
Помехи радиоприему создаются как естественным путем, так и искусственными источниками. К естественным источникам помех в высоких широтах относятся полярные сияния, внеземные источники помех и др. Искусственными источниками являются радиотехнические средства, такие как радиовещательные, радионавигационные и связные средства, в том числе и установленные на борту ВС.
В высоких широтах можно пренебречь индустриальными помехами, которые могут быть отнесены к квазиимпульсным помехам, из-за плохой развитости инфраструктуры. Но к квазиимпульсным помехам относятся также атмосферные помехи, оказывающие влияние на канал передачи поправок ДПС.
Радиолокационные и связные средства ВС излучают сигналы, спектр которых, как правило, не перекрывается с полосами пропускания радионавигационных каналов, но и они могут влиять на прием радионавигационных каналов, а также канал передачи дифференциальных поправок. Основная причина этого явления — нелинейное преобразование смеси сигнала и помех, связанное с конечными пределами линейности динамического диапазона приемоиндикаторов.
В общем случае на приемоусилительный тракт воздействуют аддитивные помехи, связанные, например, с авроральными возмущениями ионосферы. Наконец, в высоких широтах существенное значение имеют сигналоподобные помехи, обусловленные прохождением в точку приема отраженного от ледовых покрытий сигнала. Рассмотрим подробнее природу возникновения и параметры выше указанных помех. Рассеивание в ионосфере для частотных диапазонов СРНС Сигналы спутниковых радионавигационных систем, передаваемые в частотном диапазоне 1000- -1600 МГц, могут испытывать аномальное рассеяние в высокоширотной ионосфере в области высот 200- -500 км [2,4]. Процесс рассеяния обусловлен эффективным взаимодействием радиоволн с интенсивными ионно-звуковыми колебаниями, которые генерируются в области неизотермичности плазмы, возникающей из-за наличия продольных стационарных электрических токов и нагрева плазмы в системе "ионосфера-плазмосфера" за счет диссипации энергии кольцевого тока. Последствиями данного процесса могут быть уменьшение интенсивности полезного сигнала и неопределенность положения источника сигнала для приемника. Изучая данные полученные в ходе исследований [20] можно сделать выводы, что в диапазоне высот 200- -500 км в высокоширотной ионосфере имеется область ионно-звуковой турбулентности, в которой могут испытывать аномальное рассеяние сигналы спутниковых радионавигационных систем, передаваемые в частотном диапазоне 1000 -1600 МГц. При этом происходит увеличение погрешности определения псевдодальности, обусловленное тем, что каждая точка зоны ионно-звуковой турбулентности может, за счет рассеяния исходного сигнала, излучать сигнал, подобный спутниковому сигналу СРНС. Более того, при рассеянии излучаемого навигационным спутником сигнала на ионно-звуковой турбулентности происходит изменение направления волнового вектора на большие углы, что может привести к полной потере приемником сигнала СРНС, то есть к нарушению функционирования системы спутниковой навигации. Одним из основных видов квазиимпульсных помех, воздействующих на ДПС, являются атмосферные помехи [13]. Прежде чем переходить к характеристикам атмосферной помехи поясним происхождение ее импульсной и фоновой составляющих. Помеха на входе приемоусилительного тракта может быть представлена в виде случайной импульсной последовательности. Тогда характер помехи на выходе тракта зависит от соотношения частоты повторения импульсов /имп, эффективной ширины полосы пропускания канала ЬЭ[и и П-образной формы резонансной кривой и определяется параметром импульсности, который можно определить по формуле: При у 1 процесс на выходе тракта - импульсный, т.е. длительность входного импульса значительно меньше длительности реакции резонансной системы на одиночное воздействие, а длительности интервалов между смежными импульсами настолько велики, что импульсы взаимно не перекрываются. При 1 ;г 104 процесс - квазиимпульсный, то есть между смежными импульсами имеется взаимное перекрытие. При у 104 процесс -флуктуационный, то есть взаимное перекрытие смежных импульсов настолько велико, что они образуют непрерывный процесс, приближающийся к нормальному по мере увеличения у. Таким образом, квазиимпульсной помехой называется помеха, которая имеет как "фоновую" (флуктуационную), так и импульсную составляющую. Мощность атмосферных помех принято характеризовать эффективным коэффициентом помех антенны Fa, определяемым мощностью внешних шумов. Этот коэффициент измеряется в децибелах относительно кТЬ, где к = 1,39-10" Дж/К- постоянная Больцмана, Т - относительная температура, принятая равной 288К, Ъ - эффективная ширина полосы пропускания в герцах. В приведены медианные (превышаемые в течение 50% времени) значения эффективного коэффициента помех антенны Fa. Эти значения даны для четырех часовых интервалов времени, для различных сезонов и географических районов Земного шара. Из предоставляемых данных видно, что в районах Арктики уровень атмосферных помех на 10...15 дБ, а в районах Антарктики на 25.. .30 дБ ниже уровня помех в средних широтах. Рассмотрение особенностей зоны высоких широт приводит к выводу, что источниками ионизации ионосферы для этой области является как лучистое, так и корпускулярное излучение Солнца, причем вклад каждой составляющей в зависимости от широты, времени суток, времени года различен.
Для получения определенных закономерностей в указанных зонах за период международного геофизического года (МІГ) в работе были проанализированы данные ионосферных станций, координаты которых приведены в табл. 2.1 и 2.2.
Характеристики внешних воздействующих факторов в высоких широтах, влияющих на качество функционирования дифференциальных подсистем
Мероприятия по защите от помех определяются конкретными применениями АП СРНС. Действительно, во многих применениях вероятность помех низка и следовательно пренебрежение ими несущественно. Но применительно к навигации ВС гражданской авиации в высоких широтах, в частности при проведении полетов в полярные регионы, последствия продолжительных помех, влияющих на АП СРНС, могут быть в худшем случае катастрофическими или приводить к большим затратам на реализацию данных полетов.
Существует ряд направлений борьбы с помехами. Одно из них -защита диапазона сигналов СРНС от вторжения в него других систем. Регулирование всего спектра частот, ликвидация противоречий и достижение компромиссов обеспечивается на основе рекомендаций международного союза электросвязи (МСЭ). МСЭ рассматривает сигналы ГЛОНАСС, как сигналы радионавигационной спутниковой службы (РСС), использующей радиоизлучения передатчиков НКА для целей определения положения, скорости и других параметров в интересах навигации. РСС занимает все эти диапазоны на первичной основе. Этот статус обеспечивает защиту диапазона от посягательств других служб. Однако недавно международный оператор спутниковой связи Инмарсат при поддержке Европейского бюро по радиосвязи МСЭ передал часть диапазона РСС 1559-1610 МГц подвижной спутниковой службе (ПСС). Так как диапазон частот L1 соответствует 1598,0625...1604,25 МГц, это серьёзно повлияло на работу АП СРНС ГЛОНАСС. Важным этапом в борьбе с воздействием помех является распознавание помех. Имеются некоторые рекомендации по распознаванию помех, но при этом учитывается, что различные приемники на помехи реагируют по-разному.
Иногда устройство просто перестает выдавать информацию о местоположении. Каковы бы ни были конечные результаты влияния помех, потребитель вправе рассчитывать на возможно более раннее предупреждение о приближении отказа. Это может быть, например, индицируемое отношение сигнал/шум, показывающее ухудшение надежности при увеличении интенсивности помехи. Число НКА, за сигналами которых осуществляется слежение, также может указывать начало ухудшения условий навигационных определений.
От производителей также требуется более осознанная позиция в вопросе защиты от помех, обеспечиваемой их оборудованием. Можно отметить следующие основные направления повышения помехоустойчивости спутниковой аппаратуры, по крайней мере, для наиболее важных подвижных средств: использование внешних или внутренних обнаружителей помех; создание специальных схем подавления помех (фильтров, развязок, алгоритмов обработки и т.д.); использование управляемой пространственной избирательности синтезируемых антенных систем, в том числе с "нулями" в направлении на помеху; использование информации автономных и других систем на борту подвижных средств для сужения полосы пропускания следящих трактов приемников СРНС; взаимодействие с создателями транспортных (прежде всего авиационных) средств, проведение тщательных работ по обеспечению электромагнитной совместимости бортового оборудования и интеграция аппаратуры СРНС с такими автономными средствами, как инерциальная навигационная система, курсо-доплеровская система и т.д. В борьбе с помехами в последнее время получен ряд важных результатов. Так, использование некоторых из указанных выше путей подавления помех позволило фирме Mayflower Comm. Со. (США) создать специальные средства для 18-канального приемника RGR 6000, реализующие коэффициент подавления порядка 35 дБ. Повышение помехоустойчивости достигается также за счет разумного синтеза радиочастотной части, устройств аналогово-цифрового преобразования и канальных алгоритмов (для вычисления отношения сигнал-шум, адаптивной регулировки порога при вхождении в режим слежения). Эти меры использованы при создании приемника GG-24 Ashtech. Авиационный приемник, реализующий такие меры для удовлетворения высоких требований и рекомендаций RTCA и ARINC и осуществляющий эффективное подавление мешающих сигналов систем Иридиум и др. Цифровые подавители помех компенсационного типа с квадратурной обработкой разности между входным сигналом и соответствующей копией оценки помехи, реализованные в приемниках фирмы Javad Positioning Systems (сейчас Topcon). Результаты исследований рациональных путей построения схем слежения за частотой и фазой сигнала, обеспечивающих точность и помехозащищенность измерений радионавигационного параметра (РНП), а в приводятся соотношения, связывающие точность измерений РНП со спектральными характеристиками помех. Вопросами обеспечения помехозащищенности АП СРНС обеспокоено Министерство обороны РФ, что стимулировало проведение в этом направлении большого количества работ. Так, в частном случае рассматривается возможность использования в сложной помеховой обстановке псевдоспутников, прием сигналов которых позволит облегчить вхождение в режим слежения за сигналами СРНС. Можно отметить, что эффекты воздействия помех на АП СРНС и меры по повышению ее помехоустойчивости являются предметом интенсивных исследований и разработок, результаты которых широко и регулярно освещаются на наиболее авторитетных научно-технических семинарах. Рассмотрим более подробно использование ПС в высоких широтах и оценим их влияние на точностные и надежностные характеристики АП СРНС и следовательно их влияние на безопасность полетов ВС в полярных регионах.
Моделирование навигационной системы на основе псевд о спутников для оценки точности определения навигационных параметров аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем в совместном и автономном режимах работы
Тогда при использовании для модуляции несущей частоты сигнала [30] передатчика набора псевдослучайных последовательностей [31], генерируемых полиномом четной длины, есть возможность возникновения ситуации, когда «паразитные» пики в корреляторе приемника превысят значение основного корреляционного пика. Графики, иллюстрирующие корреляционную обработку суммы двух сигналов одинаковой мощности и отличающихся по мощности на 30 дБВт, отображены на рис.3.3 а и б, соответственно.
Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что для наилучшего разделения и приёма сигналов в канале передачи информации с использованием шумоподобных сигналов (ШПС) сигналов [27,28,32], несущую частоту сигнала лучше модулировать псевдослучайными последовательностями, которые формируются полиномами нечетной длины или оперировать ограниченным набором последовательностей, генерируемых полиномом четной длины. В противном случае при использовании полного набора псевдослучайных последовательностей сформированных образующими полиномами четной длины существует вероятность превышения в корреляторе приемника значений «паразитных» пиков основного корреляционного пика, вследствие чего приемник не сможет демодулировать полученный сигнал [9].
Разные частоты. Проблема может быть решена, если передавать сигналы ПС на частотах отличных от частот СРНС (сигналы смещённые относительно частоты LI (1598,0625...1604,25 МГц)), но в пределах полосы частот СРНС. Это оптимальный способ, однако это потребует модификации существующей АП СРНС.
Более быстрый и длинный сигнал. Альтернативные коды могут генерировать более длинные последовательности, чем существующие ПСП, используемые для модуляции несущего сигнала СРНС. Корреляционные свойства кодов могут быть улучшены при использовании более длинных высокоскоростных кодов, что также потребует модернизации АП СРНС.
Импульсный метод: варьирование импульсных сигналов со случайными или заданными размерностями цикла при множественном доступе с временным разделением каналов. Комитет RTCM-104 предложил, чтобы при передаче сигнала ПС его импульсы были частыми, короткими и мощными. Несмотря на короткий цикл, большая мощность позволяет отслеживать сигнал ПС в канале связи. Интервал между импульсами, когда передатчик ПС выключен, позволяет АП СРНС отслеживать сигналы СРНС без помех.
Применение ПС в гражданской авиации рассматривалось уже в 1984 году. Использование ШПС с различными ПСП может быть частью из разнообразных методов решения проблем, но более длинные ПСП не будут значительно изменять уровень взаимокорреляционных помех.
Так в 1986 году некоторые пользователи RTCM предложили новую более полную структуру сигнала ПС. Все три метода, рассмотренные ранее, были внесены в список, но метод временного разделения каналов доступа был единственным рекомендуемым, потому что его использование подразумевало наименьшее воздействие на уже существующую АП СРНС.
Впоследствии проявились недостатки проекта TDMA относительно «небланкирующих» (негасящих) приемников, которые используются и сегодня. В 1990 году это привело к изменению проекта TDMA. Несмотря на все предложения угроза со стороны проблемы динамического диапазона осталась, потому что ограничение минимальных помех возможно только при использовании ШПС и TDMA.
Модернизация АП СРНС привела к тому, что практичнее стало использование FDMA, которое оптимально решало проблему динамического диапазона. В результате была предложена более эффективная структура сигнала, который комбинирует сигналы и смещение частоты, используя преимущества свойств взаимной корреляции ПСП, которыми модулируются НС, и хороших импульсных диаграмм.
Полностью различные полосы частот могут использоваться только при готовности к изменениям (дополнениям) в существующих приемниках. При этом обязательна модификация внешнего интерфейса (деления частот). Заданный диапазон частот должен быть разделен на заданное число полос, чтобы учитывать доплеровский сдвиг (частоты) относительно ПС или НКА. Из всех перечисленных методов борьбы с проблемой динамического диапазона использование импульсного метода кажется наиболее многообещающим, так как это не потребует серьёзных изменений в навигационных приемниках АП СРНС эксплуатируемой ВС ГА. С другой стороны, при разработке перспективной навигационной аппаратуры, использование преимуществ СРНС ГЛОНАСС в виде частотного разделения каналов доступа позволяет ориентироваться разработчикам АП СРНС на использование литер частот затененных навигационных космических аппаратов в интервале времени проведения полета ВС.
Хотя использование такого способа потребует модернизации существующей АП СРНС, а именно увеличение количества фильтров в рабочем диапазоне частот, это позволит полностью преодолеть проблему электромагнитной совместимости при использовании комплексированной навигационной системы СРНС-НСПС.
Но, несмотря на это, при приеме непрерывного сигнала АП СРНС должна быть готовой к преднамеренным подавляющим помехам, как и все современные приемники, даже если помеха будет иметь случайный характер.
