Разработка рекомендаций по применению систем функционального дополнения спутниковой навигации

Аннотация

В дипломной работе «Разработка рекомендаций по применению систем функционального дополнения спутниковой навигации» рассмотрены основы действия и характеристики спутниковых навигационных систем, виды систем наземного функционального дополнения и их особенности, описание и работа контрольно-корректирующей станции, метод частотной модуляции с минимальным сдвигом для передачи диффпоправок, сделан расчет дальности действия контрольно-корректирующей станции. Приведены рекомендации по эффективному применению контрольно-корректирующей станции.

Страниц-67;

Рисунков-21;

Таблиц-8.

Условные обозначения

X_i - координаты i-того спутника ;

Y_i - координаты i-того спутника ;

Z_i - координаты i-того спутника ;

X₀ , Y₀ , Z₀ - координаты потребителя ;

r_i - измеренная псевдодальность до i-того спутника ;

?_r - ошибка в измерении дальности до НКА за счет рассогласования шкал времени НКА и потребителя ;

?t - рассогласование шкал времени НКА и потребителя ;

C - скорость света;

m - номер строки в навигационном кадре ;

t_k - время начала кадра внутри текущих суток, определяемое в шкале бортового времени ;

t_b - порядковый номер временного интервала внутри текущих суток по шкале системного времени ГЛОНАСС, к середине которого относится передаваемая в кадре оперативная информация ;

M - модификация НКА, излучающего сигнал («00» - ГЛОНАСС, «01» - ГЛОНАСС - М) ;

?_n(t_b) - относительное отклонение несущей частоты спутника n от номи-нального значения на момент времени t_b;

f_n(t_b) - прогнозируемое значение несущей частоты спутника n с учетом гравитационного и релятивистского эффектов на момент времени t_b;

f_нn - номинальное значение несущей частоты n-ного спутника;

?_n(t_b) - сдвиг на момент времени t_b шкалы времени (t_n) спутника n относительно шкалы времени (t_с) системы . ?_n(t_b)= t_с(t_b)-t_n(t_b) ;

x_n(t_b), y_n(t_b), z_n(t_b) - координаты спутника n в системе координат ПЗ-90 на момент времени t_b ;

x_n(t_b), y_n(t_b), z_n(t_b) - составляющие вектора скорости спутника n в системе координат ПЗ-90 на момент времени t_b ;

x_n(t_b), y_n(t_b), z_n(t_b) - составляющие ускорения спутника n в системе координат ПЗ-90 на момент времени t_b , обусловленное действием Луны и Солнца ;

B_n - признак недостоверности кадра спутника n (символ «1» в старшем разряде обозначает непригодность данного спутника для навигационных определений) ;

P - признак режима работы НКА по частотно-временной информации;

N_T - календарный номер суток внутри четырехлетнего интервала, начиная с високосного года ;

F_T - фактор точности измерений, характеризующий ошибку набора данных на момент времени t_b , излучаемых в навигационном сообщении ;

n - номер НКА, излучающего данный навигационный сигнал ;

??_n - смещение навигационного радиосигнала поддиапазона L2 относительно навигационного радиосигнала поддиапазона L1, излучаемого спутником n;

t_f1 - аппаратурные задержки соответствующих поддиапазонов ;

t_f2 - аппаратурные задержки соответствующих поддиапазонов ;

E_n - интервал времени между расчетом (закладкой) оперативной информации для спутника n и моментом времени t_b (характеризует возраст оперативной информации) ;

P1 - признак величины интервала времени (мин) между значениями t_b в данном и предыдущем кадрах ;

P2 - признак нечетности (символ «1») или четности («0») числового значения слова t_b ;

P3 - признак, показывающий, что в кадре передается альманах для 5-ти НКА (символ «1») или 4-х НКА («0») ;

P4 - признак , показывающий что в данном кадре передается обновленная (символ «1») эфемеридная или частотно-временная информация;

l_n - признак недостоверности (l_n =1) кадра спутника n;

?_с - поправка к шкале времени системы ГЛОНАСС относительно UTС(SU);

?_GPS -поправка на расхождение системных шкал времени GPS и ГЛОНАСС

N₄ - номер четырехлетнего периода;

N^A - календарный номер суток внутри четырехлетнего периода, начиная с високосного года ;

n^A - условный номер спутника в системе ;

H_n^A - номер несущей частоты радиосигнала, излучаемого спутником n^A;

?_n^A - долгота в системе координат ПЗ-90 первого восходящего узла орбиты спутника n^A внутри суток N^A ;

t ?_n^A - время прохождения первого восходящего узла орбиты спутника n^A внутри суток N^A ;

?i_n^A - поправка к среднему значению наклонения орбиты спутника n^A на момент времени t?_n^A ;

?T_n^A - поправка к среднему значению драконического периода обращения спутника n^A на момент времени t?_n^A;

?T_n^A - скорость изменения драконического периода обращения спутника с номером n^A ;

?_n^A - эксцентриситет орбиты спутника n^A на момент времени t ?_n^A ;

?_n^A - аргумент перигея орбиты спутника n^A на момент времени t ?_n^A ;

M_n^A - признак модификации спутника n^A;

B1 - коэффициент для определения ?UT1, равный величине расхождения всемирного и координированного времени на начало текущих суток ;

B2 - коэффициент для определения ?UT1, равный величине суточного изменения расхождения ?UT1 ;

KP - признак ожидаемой секундной коррекции шкалы UTS в конце текущего квартала на величину ±1сек;

?_n^A - грубое значение сдвига шкалы времени спутника n^A относительно шкалы времени системы на момент времени t ?_n^A ;

С_n^A - обобщенный признак состояния спутника n^A ;

? - относительная диэлектрическая проницаемость;

? - проводимость;

a - радиус Земли;

? - индекс модуляции;

? - фаза;

x(t) - сигнал на входе;

y(t) - сигнал на выходе;

T_c - длина бита;

e - математическая константа, равная e = 2,718;

q - параметр, характеризующий электрические свойства почвы;

A₀ - амплитуда;

t - время;

f - частота.

Условные сокращения

ABAS-Aircraft Based Augmenting System;

BINR- протокол обмена по последовательному порту;

С/А - Coarse/Acquisition ;

CNS/ATM - Communication, Navigation, Surveillance/Air Traffic Management;

GBAS-Ground Based Augmenting System;

GNSS - Global Navigation Satellite System;

GMSK/FM - Gauss Minimum Shift Keying Frequency Modulation;

GPS- Global Positioning System;

GRAS - GNSS Receiver for Atmospheric Sounding;

HDOP - Horizontal Dilution of Precision;

LAAS - Local Area Augmentation System;

MSK - Minimum Shift Keying;

PRC - Pseudorange Correction;

RRC - Range Rate Correction;

RSIM - Reference Station/Integrity Monitor;

RTCM - Radio Technical Commission for Maritime Services;

RTCM SC-104-Radio Technical Commission for Maritime Services, Special Committee 104;

RTK - Real Time Kinematic;

SBAS - Satellite Based Augmenting System;

UTC(SU) - Universal Time Coordinated (Soviet Union);

VDOP - Vertical Dilution of Precision;

WGS-84 - World Geodetic System 1984;

WDOP - Weighted Dilution of Precision;

ВС-воздушное судно;

ГА - Гражданская Авиация;

ГЛОНАСС- глобальная навигационная спутниковая система России;

ГНСС - СНС ГЛОНАСС/GPS;

ИКАО - Международная организация гражданской авиации;

ЛККС - локальная контрольно-корректирующия станция;

ЛПДС - локальные дифференциальные подсистемы;

КА - космический аппарат;

КИ - корректирующая информация;

ККС - контрольно-корректирующая станция;

КС - контрольная станция;

КХ - код Хемминга;

МВ - метка времени;

МСЭ-международный союз электросвязи;

НКА - навигационный космический аппарат;

НКУ - наземный комплекс управления;

ОС - опорная станция;

ПЗ-90 - параметры Земли 1990г.;

РДПС - региональная дифференциальная подсистема;

РМк - радиомаяк;

СВ - средняя волна;

СИК - станция интегрального контроля;

СКП - среднеквадратическая погрешность;

СКО - среднеквадратическое отклонение;

СНС - спутниковая навигационная система;

ССН - система спутниковой навигации;

ШДПС - широкозонная дифференциальная подсистема;

ФЦП - Федеральная целевая программа;

ЧМ - частотная модуляция.

Оглавление

Введение

1. Спутниковые навигационные системы

1.1. Общие сведения о спутниковых навигационных системах

1.2. Определение координат потребителя СНС

1.3. Структура навигационного сообщения системы ГЛОНАСС

1.4. Дифференциальный метод определения координат

2. Спутниковые системы функционального дополнения

2.1. Общие сведения и классификация систем функционального дополнения.

2.1.1. Общие положения систем функционального дополнения

2.1.2. Псевдоспутники (псевдолиты)

2.2. Правовая основа применения систем функционального дополнения

2.3. Описание и работа контрольно-корректирующей станции

2.3.1. Назначение контрольно-корректирующей станции

2.3.2. Технические характеристики

3. Расчет дальности действия ККС

3.1. Особенности распространения волн средневолнового диапазона

3.2.Модель распространения радиоволн, полученная графическим путем

3.3. Метод частотной модуляции с минимальным сдвигом

Выводы и рекомендации

Список использованной литературы

Введение

Традиционные средства навигации не достаточно точно обеспечивают требуемую надежность и точность, недостаточно автоматизированы и не могут устранить влияние человеческого фактора. Основным навигационным средством будущего станут глобальные спутниковые системы навигации (Global Navigation Satellite System - GNSS). В настоящее время развернуты две GNSS - GPS (Global Positioning System) NAVSTAR (Navigation Satellite Time And Ranging), принадлежащая США, и Российская глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС. В соответствии с Постановлением Правительства РФ от 25 августа 2008г. № 641 «Об оснащении транспортных, технических средств и систем аппаратурой спутниковой навигации ГЛОНАСС или ГЛОНАСС/GPS» все ВС должны быть оснащены аппаратурой ССН ГЛОНАСС или ГЛОНАСС/GPS. Глобальная навигационная спутниковая система (GNSS), как навигационный элемент систем управления воздушным движением CNS/АТМ, включает в себя сочетания комбинаций следующих составляющих, размещенных на земле, спутниках и на борту воздушного судна:

-GPS;

-ГЛОНАСС;

-бортовая система функционального дополнения (АВАS);

-спутниковая система функционального дополнения (SВАS);

-наземная система функционального дополнения (GВАS);

-бортовой приемник GNSS.

Системы функционального дополнения позволяют повысить точность до единиц и долей сантиметра.

В России не достаточно широко развернута сеть контрольно-корректирующих станций (ККС). В настоящий момент осуществляется Федеральная Целевая Программа «ГЛОНАСС», по итогам которой развертывание дифференциального сервиса должно закончиться в 2011 г. Поэтому организация функциональных дополнений спутниковой навигационной системы в настоящее время является актуальной. В данной дипломной работе будут рассматриваться вопросы применения ККС, которые составляют основу систем дифференциального сервиса.

1. Спутниковые навигационные системы

1.1 Общие сведения о спутниковых навигационных системах

Система ГЛОНАСС предназначена для глобальной оперативной навигации приземных подвижных объектов. Она разработана по заказу и находится под управлением Министерства Обороны РФ. По своей структуре ГЛОНАСС так же, как и GPS, считается системой двойного действия, то есть может использоваться как в военных, так и в гражданских целях.

Рис.1. Сегменты высокоорбитальных навигационных систем ГЛОНАСС и GPS

Система в целом включает в себя три сегмента (рис. 1).

-космический сегмент, в который входит орбитальная группировка искусственных спутников Земли (иными словами, навигационных космических аппаратов (НКА);

-сегмент управления, наземный комплекс управления (НКУ) орбитальной группировкой космических аппаратов;

-аппаратура пользователей системы.

Из этих трёх частей последняя, аппаратура пользователей, самая многочисленная. Система ГЛОНАСС является беззапросной, поэтому количество потребителей системы не имеет значения. Помимо основной функции (навигационных определений) система позволяет производить высокоточную взаимную синхронизацию стандартов частоты и времени на удалённых наземных объектах и взаимную геодезическую привязку. Кроме того, с её помощью можно производить определение ориентации объекта на основе измерений, производимых от четырёх приёмников сигналов навигационных спутников.

Российская Глобальная Навигационная спутниковая система состоит из 24 НКА, расположенных в трех орбитальных плоскостях на высоте 19100 км (рис.2), что соответствует периоду обращения 11 часов 15 минут. Наклонение орбиты 64,8. Каждый НКА непрерывно передает данные о собственном местоположении в прямоугольной системе координат (эфемериды), а также альманах данных о грубом местоположении всех НКА СНС. Координаты НКА ГЛОНАСС задаются в геодезической системе ПЗ-90 с использованием параметров Земли 1990 г. Каждый НКА работает на разных частотах в диапазоне от 1602,5625 до 1615,5000 МГц с шагом 0,5625 МГц. Сигнал модулируется одинаковой псевдослучайной последовательностью с тактовой частотой 0,5625 МГц с периодом 1 мс.

Американская система GPS по своим функциональным возможностям аналогична отечественной системе ГЛОНАСС. Её основное назначение - высокоточное определение координат потребителя, составляющих вектора скорости, и привязка к системной шкале времени. Аналогично отечественной, система GPS разработана для Министерства Обороны США и находится под его управлением. Согласно интерфейсному контрольному документу, основными разработчиками системы являются:

-по космическому сегменту - Rockwell International Space Division, Martin Marietta Astro Space Division;

-по сегменту управления - IBM, Federal System Company;

-по сегменту потребителей - Rockwell International, Collins Avionics & Communication Division.

Космическая навигационная система GPS также состоит из 24 рабочих НКА, расположенных в 6 орбитальных плоскостях по 4 НКА на каждой (рис.2). Орбитальные плоскости расположены под углом 55 к экватору. Каждый НКА передает сигналы на частоте 1575,42 МГц, с модуляцией индивидуальном псевдослучайным кодом. Широкополосный сигнал формируется на НКА путем фазовой манипуляции несущей частоты сигналом псевдослучайной последовательности из 1023 компонентов тактовой частотой 1,023 МГц. Данные передаются со скоростью 50 бит/с, в них содержится информация об эфемеридах, техническом состоянии, временном сдвиге опорного генератора и т.д. Эфемериды НКА GPS привязаны к Всемирной Геодезической Системе 1984 г. (WGS-84).

При совместной работе эти системы называются Глобальными Навигационными Спутниковыми Системами (Global Navigation Satellite System).

Рис.2. Космический сегмент систем ГЛОНАСС и GPS.

Сравнение текущих уровней развития ГЛОНАССа и GPS приведено в табл.1.

Таблица 1

Сравнительное состояние развертывания спутниковых систем

В отличие от системы GPS, спутники ГЛОНАСС в своем орбитальном движении не имеют резонанса (синхронности) с вращением Земли, что обеспечивает им большую стабильность. Таким образом, группировка КА ГЛОНАСС не требует дополнительных корректировок в течение всего срока активного существования. Тем не менее, срок службы спутников ГЛОНАСС заметно короче.

Что касается сегмента управления, то станции GPS расположены по всему миру, в то время как станции слежения ГЛОНАСС находятся только на территории России. Поскольку ГЛОНАСС -- стратегическая система, то независимость от других стран играет особую роль.

Потребительское оборудование ГЛОНАСС разработано только для специальных применений и, в отличие от приемников GPS, пока не доступно для индивидуального пользования. Однако сейчас полным ходом идет разработка коммерческих совмещенных приемников ГЛОНАСС/GPS.

1.2 Определение координат потребителя СНС

Для определения координат потребителя необходимо знать координаты спутников (не менее 4) и дальность от потребителя до каждого видимого спутника. Для того, чтобы потребитель мог определить координаты спутников, излучаемые ими навигационные сигналы моделируются сообщениями о параметрах их движения. В аппаратуре потребителя происходит выделение этих сообщений и определение координат спутников на нужный момент времени. Координаты и составляющие вектора скорости меняются очень быстро, поэтому сообщения о параметрах движения спутников содержат сведения не об их координатах и составляющих вектора скорости, а информацию о параметрах некоторой модели, аппроксимирующей траекторию движения НКА на до-статочно большом интервале времени (около 30 минут). Параметры аппроксимирующей модели меняются достаточно медленно, и их можно считать постоянными на интервале аппроксимации. Параметры аппроксимирующей модели входят в состав навигационных сообщений спутников. В системе GPS используется Кеплеровская модель движения с оскулирующими элементами. В этом случае траектория полёта НКА разбивается на участки аппроксимации длительностью в один час. В центре каждого участка задаётся узловой момент времени, значение которого сообщается потребителю навигационной информации. Помимо этого, потребителю сообщают параметры модели оскулирующих элементов на узловой момент времени, а также параметры функций, аппроксимирующих изменения параметров модели оскулирующих элементов во времени как предшествующем узловому элементу, так и следующем за ним. В аппаратуре потребителя выделяется интервал времени между моментом времени, на который нужно определить положение спутника, и узловым моментом. Затем с помощью аппроксимирующих функций и их параметров, выделенных из навигационного сообщения, вычисляются значения параметров модели оскулирующих элементов на нужный момент времени. На последнем этапе с помощью обычных формул кеплеровской модели определяют координаты и составляющие вектора скорости спутника. В системе ГЛОНАСС для определения точного положения спутника используются дифференциальные модели движения. В этих моделях координаты и составляющие вектора скорости спутника определяются численным интегрированием дифференциальных уравнений движения НКА, учитывающих конечное число сил, действующих на НКА. Начальные условия интегрирования задаются на узловой момент времени, располагающийся посередине интервала аппроксимации. Как было сказано выше, для определения координат потребителя необходимо знать координаты спутников (не менее 4) и дальность от потребителя до каждого видимого спутника, которая определяется в навигационном приёмнике с точностью около 1 м. Рассмотрим метод определения координат на плоскости (рис.3) и в пространстве (рис.4):

(X₁ - X₀)² + (Y₁ - Y₀)² = r₁²

(X₂ - X₀)² + (Y₂ - Y₀)² = r₂²

Рис.3. Метод определения координат на плоскости.

Рис. 4. Метод определения координат в пространстве

(X_i - X₀)² + (Y_i - Y₀)² + (Z_i - Z₀)² = (r_i + ?_r )² , (1)

?_r = c?t,

i = 1, … 4,

где X_i , Y_i , Z_i - координаты i-того спутника ;

X₀ , Y₀ , Z₀ - координаты потребителя ;

r_i - измеренная псевдодальность до i-того спутника ;

?_r - ошибка в измерении дальности до НКА за счет рассогласования шкал времени НКА и потребителя ;

?t - рассогласование шкал времени НКА и потребителя ;

c - скорость света .

В спутниковой системе навигации ГЛОНАСС используется прямоугольная геоцентрическая система координат OX_aY_aZ_a (ПЗ-90) с началом координат в центре масс Земли.

Ось Z совпадает с осью вращения Земли и проходит через Северный полюс;

Ось X находится в плоскости экватора и проходит через нулевой меридиан;

Ось Y дополняет геоцентрическую систему координат до правой.

1.3 Структура навигационного сообщения системы ГЛОНАСС

Навигационное сообщение содержит оперативную и неоперативную информацию.

Оперативная информация (табл.3) относится к тому НКА, с борта которого передается данный навигационный радиосигнал и содержит:

-оцифровку меток времени НКА;

-сдвиг шкалы времени НКА относительно шкалы времени системы ГЛОНАСС;

-относительное отличие несущей частоты излучаемого навигационного радиосигнала от номинального значения;

-эфемериды НКА.

Неоперативная информация (табл.4) содержит альманах системы, включающий в себя:

-данные о состоянии всех НКА системы (альманах состояния);

-сдвиг шкалы времени каждого НКА относительно шкалы времени системы ГЛОНАСС (альманах фаз);

-параметры орбит всех НКА системы (альманах орбит);

-сдвиг шкалы времени системы ГЛОНАСС относительно UTC(SU).

Навигационное сообщение СНС ГЛОНАСС иерархически структурировано в виде строк, кадров и суперкадров (табл.2)

Строка навигационного сообщения имеет длительность 2 с (вместе с меткой времени) и содержит 85 двоичных символов, передаваемых в относительном коде. Первый символ является холостым для относительного кода. Последние восемь символов в каждой строке являются проверочными символами кода Хэмминга, позволяющими исправлять одиночный ошибочный символ и обнаруживать два ошибочных символа в строке. Альманах системы необходим аппаратуре потребителя для планирования сеанса, т.е. выбора оптимального созвездия и прогнозирования для составляющих его НКА доплеровского сдвига несущей частоты. Отсутствие альманаха системы в памяти приемника потребителя приводит к значительному увеличению длительности сеанса, за счет времени, затрачиваемого на поиск сигналов и определение оптимального созвездия. Тем не менее, структура навигационного сигнала СНС ГЛОНАСС обеспечивает более быстрое обновление (или первичный прием) альманаха за счет меньшей длительности суперкадров (2,5 мин) по сравнению с GPS (12,5 мин)

Оперативная информация используется непосредственно в сеансе навигации. Частотно-временные поправки вносятся в результаты измерений, а эфемериды применяются при определении координат и вектора скорости потребителя. спутниковый навигационный волна модуляция

Кадр имеет длительность 30 с и состоит из 15 строк длительностью 2 с каждая. Он содержит полный объем оперативной информации для излучающего НКА (строки 1…4) и четверть альманаха. В кадрах с первого по четвертый передается альманах по пяти спутникам, в пятом кадре по оставшимся четырем. Альманах для каждого спутника занимает по две строки.

Таблица 2

Структура навигационного сообщения ГЛОНАСС

Таблица 3

Состав, структура и размещение оперативной информации в кадре навигационного сообщения ГЛОНАСС

⁽¹⁾ - планируется ввести в навигационное сообщение ГЛОНАСС - М .

Суперкадр содержит 5 кадров и длится 2,5 мин. В пределах суперкадра оперативная информация и строка 5 (системные данные) повторяются в каждом кадре. Границы строк, кадров и суперкадров различных НКА синхронны с погрешностью не более 2 мс.

Содержание слов оперативной информации:

m - номер строки в навигационном кадре ;

t_k - время начала кадра внутри текущих суток, определяемое в шкале бортового времени ;

t_b - порядковый номер временного интервала внутри текущих суток по шкале системного времени ГЛОНАСС, к середине которого относится передаваемая в кадре оперативная информация ;

M - модификация НКА, излучающего сигнал («00» - ГЛОНАСС, «01» - ГЛОНАСС - М) ;

?_n(t_b) - относительное отклонение несущей частоты спутника n от номинального значения на момент времени t_b . ?_n(t_b)= (f_n(t_b)- f_нn)/ f_нn (где f_n(t_b) - прогнозируемое значение несущей частоты спутника n с учетом гравитационного и релятивистского эффектов на момент времени t_b , f_нn - номинальное значение несущей частоты n-ного спутника ).

Номинальные несущие частоты НКА в поддиапазонах L1, L2 определяются выражениями :

f_K1= f₀₁+K?f₁ , f_K2= f₀₂+K?f₂ , f_K2 / f_K1 = 7/9

f₀₁=1602,0 МГц , ?f₁ = 0,5625 МГц , f₀₂=1246,0 МГц , ?f₂ = 0,4375 МГц,

( где K= (-7, …,13) - номера несущих частот ), распределение номеров K между НКА отображается в альманахе .

Отклонение несущей частоты от номинального значения не превышают в относительной величине ±2*10^-11 ) ;

?_n(t_b) - сдвиг на момент времени t_b шкалы времени (t_n) спутника n относительно шкалы времени (t_с) системы . ?_n(t_b)= t_с(t_b)-t_n(t_b) ;

x_n(t_b), y_n(t_b), z_n(t_b) - координаты спутника n в системе координат ПЗ-90 на момент времени t_b ;

x_n(t_b), y_n(t_b), z_n(t_b) - составляющие вектора скорости спутника n в системе координат ПЗ-90 на момент времени t_b ;

x_n(t_b), y_n(t_b), z_n(t_b) - составляющие ускорения спутника n в системе координат ПЗ-90 на момент времени t_b , обусловленное действием Луны и Солнца ;

B_n - признак недостоверности кадра спутника n (символ «1» в старшем разряде обозначает непригодность данного спутника для навигационных определений) ;

P - признак режима работы НКА по частотно-временной информации. (при P=1 частотно-временная информация рассчитывается на борту НКА, при P=0 рассчитывается НКУ и закладывается на борт) ;

N_T - календарный номер суток внутри четырехлетнего интервала, начиная с високосного года ;

F_T - фактор точности измерений, характеризующий ошибку набора данных на момент времени t_b , излучаемых в навигационном сообщении ;

n - номер НКА, излучающего данный навигационный сигнал ;

??_n - смещение навигационного радиосигнала поддиапазона L2 относительно навигационного радиосигнала поддиапазона L1, излучаемого спутником n. ??_n= t_f2 - t_f1 ( где t_f1 , t_f2 - аппаратурные задержки соответствующих поддиапазонов) ;

E_n - интервал времени между расчетом (закладкой) оперативной информации для спутника n и моментом времени t_b (характеризует возраст оперативной информации) ;

P1 - признак величины интервала времени (мин) между значениями t_b в данном и предыдущем кадрах ;

P2 - признак нечетности (символ «1») или четности («0») числового значения слова t_b ;

P3 - признак, показывающий, что в кадре передается альманах для 5-ти НКА (символ «1») или 4-х НКА («0») ;

P4 - признак , показывающий что в данном кадре передается обновленная (символ «1») эфемеридная или частотно-временная информация;

l_n - признак недостоверности (l_n =1) кадра спутника n . Данный НКА для навигационных определений непригоден.

Таблица 4

Состав, структура и размещение неоперативной информации (альманаха) в кадре навигационного сообщения ГЛОНАСС

⁽¹⁾ - планируется ввести в навигационное сообщение ГЛОНАСС - М ;

⁽²⁾ - старший разряд знаковый (символ 0 соответствует знаку «+» ) ;

⁽³⁾ - отрицат. значения несущей частоты (значения слова с 25 по 31) ;

⁽⁴⁾ - предполагается уменьшить цену младшего разряда до 2^-31 с (до 0,46 нс), увеличив число разрядов до 32. Слово будет передаваться в 5, 20, 35, 50 и 65-й строках суперкадра (5-я строка каждого кадра).

Содержание слов альманаха (неоперативной информации):

?_с - поправка к шкале времени системы ГЛОНАСС относительно UTС(SU). Поправка дается на начало суток с номером N^A ;

?_GPS -поправка на расхождение системных шкал времени GPS и ГЛОНАСС

N₄ - номер четырехлетнего периода (N₄ =0, начиная с 1996 года) ;

N^A - календарный номер суток внутри четырехлетнего периода, начиная с високосного года ;

n^A - условный номер спутника в системе ;

H_n^A - номер несущей частоты радиосигнала, излучаемого спутником n^A;

?_n^A - долгота в системе координат ПЗ-90 первого восходящего узла орбиты спутника n^A внутри суток N^A ;

t ?_n^A - время прохождения первого восходящего узла орбиты спутника n^A внутри суток N^A ;

?i_n^A - поправка к среднему значению наклонения орбиты спутника n^A на момент времени t?_n^A (среднее значение наклонения орбиты принято равным 63^° );

?T_n^A - поправка к среднему значению драконического периода обращения спутника n^A на момент времени t?_n^A (среднее значение драконического периода принято равным 43200 с) ;

?T_n^A - скорость изменения драконического периода обращения спутника с номером n^A ;

?_n^A - эксцентриситет орбиты спутника n^A на момент времени t ?_n^A ;

?_n^A - аргумент перигея орбиты спутника n^A на момент времени t ?_n^A ;

M_n^A - признак модификации спутника n^A («00» - ГЛОНАСС, «01» - ГЛО-НАСС - М) ;

B1 - коэффициент для определения ?UT1, равный величине расхождения всемирного и координированного времени на начало текущих суток ;

B2 - коэффициент для определения ?UT1, равный величине суточного изменения расхождения ?UT1 ;

KP - признак ожидаемой секундной коррекции шкалы UTS в конце текущего квартала на величину ±1сек. («00» - коррекции не будет, «01» - будет коррекция +1с , «11» - будет коррекция -1 с ) ;

?_n^A - грубое значение сдвига шкалы времени спутника n^A относительно шкалы времени системы на момент времени t ?_n^A ;

С_n^A - обобщенный признак состояния спутника n^A («0» - спутник не при-годен для навигационных определений, «1» - спутник пригоден).

1.4 Дифференциальный метод определения координат

Спутниковые навигационные системы позволяют определить координаты потребителя с точностью порядка 10…15 метров. Но в ряде случаев требуется более высокая точность определения местоположения. К таким случаям относится навигация в городских условиях, заход на посадку по категориям ИКАО , а также геодезические измерения, картография и т.д.

Добиться существенного увеличения точности определения координат (до единиц и долей сантиметра) удается при помощи функционального дополнения к ГНСС, называемого дифференциальной подсистемой.

В дифференциальной подсистеме используется дифференциальный метод, суть которого заключается в передачи на приемники воздушных судов ГЛОНАСС/GPS поправок к измеренным псевдодальностям до НКА. Поправки формируются и контролируются ККС, для чего антенны ГНСС размещаются в месте с эталонными координатами.

Дифференциальный метод основан на минимизации погрешностей, влияющих на точность определения местоположения судовыми приемниками ГЛОНАСС/GPS. Основными погрешностями при определении координат являются:

· ионосферная рефракция распространения сигнала, в среднем составляет от 20 до30 м в течение дня и от 3 до 6 м ночью;

· тропосферная рефракция распространения сигнала в нижних слоях атмосферы. Для НКА с малыми высотами она достигает 30 м. Разница в значении рефракции между приемником опорной станцией и судовым приемником может составлять от 1 до 3 м.

· эфемеридная ошибка разница между фактическим местоположением НКА и его местоположением, вычисленным по данным эфемерид, полученным с НКА. Обычно эта разница не превышает 3 м;

· ошибки бортовой шкалы времени НКА разница между временными шкалами каждого используемого НКА и временем центрального синхронизатора, по которому производится расчет прогнозируемых эфемерид.

При работе приемника опорной станции и приемника по одним и тем же НКА все вышеперечисленные ошибки компенсируются дифференциальным режимом.

Кроме того, дифференциальный режим обеспечивает функцию контроля целостности СНС ГЛОНАСС и GPS, путем определения приемниками ГЛОНАСС/GPS неработоспособных НКА и передачи этой информации на приемники с минимальной временной задержкой.

Для сравнения точности местоопределения координат рассмотрим характеристики базовай ККС авиационной дифференциальной подсистемы СНС ГЛОНАСС/GPS , приведенные в табл. 5.

Таблица 5

Характеристики базовых контрольно-корректирующих станций

Очевидно, что применение ККС существенно улучшает определение координат ВС, чем просто использование СНС.

Сформулированы требования к навигационному обеспечению воздушных судов.

Требования к доступности зависят от этапов полета и интенсивности воздушного движения. Численные значения доступности при маршрутных полетах составляют 0,999...0,99999; при полете в зоне аэродрома и некатегорированном заходе на посадку -0,99999. Требования по доступности для захода на посадку и посадки по категориям ИКАО соответствуют требованиям к системам инструментальной посадки. Численные значения их близки к 1.

Требования к целостности составляют для маршрутных полетов, полетов в зоне аэродрома и некатегорированном заходе на посадку - 0,999 при допустимом времени предупреждения соответственно 10 с, 10 с и 2 с, а для захода и посадки по I, II и III категориям ИКАО -0,999999, 0,9999999 и 0,9999999995 при допустимом времени предупреждения не более 1 с.

Требования к точности определения координат и высоты полета ВС приведены в табл. 6.

Таблица 6

Требования к точности определения координат и высоты полета ВС

2. Спутниковые системы функционального дополнения

2.1 Общие сведения и классификация систем функционального дополнения

Основу дифференциальной подсистемы составляют наземные контрольно-корректирующие станции (ККС), координаты которых известны и определены с большой точностью. Как правило, под координатами ККС в данном случае подразумевают координаты фазового центра приемной антенны. Путем сравнения измеренных значений псевдодальностей до спутников с достоверными значениями, вычисленными на основе полученной от главной станции информации об орбитах НКА, вычисляются поправки к псевдодальностям. Полученные значения передаются потребителям по специально выделенным линиям передачи данных. Потребитель должен иметь соответствующий приемник, оснащенный модулем для приема радиосигналов ККС.

Принято различать широкозонные, региональные, локальные дифференциальные подсистемы и псевдоспутники (рис.5).

Рис.5. Классификация наземных систем функционального дополнения

2.1.1 Общие положения систем функционального дополнения

Основой широкозонной подсистемы (ШДПС) является сеть специальных широкозонных ККС, информация о поправках с которых передается на главную станцию. После дополнительной проверки на главной станции вырабатывается комплекс общих поправок и целостности. Выработанные сигналы передаются, как правило, на геостационарные спутники, с которых транслируются на приемники потребителей. Применение геостационарных спутников позволяет обеспечить радиус рабочей зоны порядка 5000…6000 км. Достаточно часто ККС, входящие в ШДПС, обеспечивают и локальный сервис с применением дополнительных каналов передачи данных.

К настоящему времени наиболее широкую известность получили проекты ШДПС или SBAS, использующих геостационарные космические аппараты в качестве средств передачи сигналов контроля целостности и дифференциальных поправок. Такими системами являются американская WAAS, европейская EGNOS и японская MSAS (рис.6).

Рис.6. Зоны покрытия систем WAAS, EGNOS и MSAS

Рис.7. ШДПС WAAS

Рис.8. ШДПС EGNOS

Рис.9. ШДПС MSAS.

Региональные дифференциальные системы (РДПС) служат для навигационного обеспечения отдельных регионов от 400 до 2000 и предназначены для навигационного обеспечения отдельных регионов моря/океана или континента. В состав РПДС входят одна или несколько ККС, а также аппаратура контроля целостности и средства передачи данных потребителю. Эти данные вырабатываются либо на главной станции, либо непосредственно на ККС. Примерами РДПС являются сстемы Starfix (рис.10) и SkyFix (рис.11) . Эти системы используют для передачи информации каналы спутников INMARSAT.

Рис.10. РДПС StarFix

Рис.11. РДПС SkyFix

Локальные дифференциальные подсистемы (ЛДПС) функционируют при дальности до потребителя в диапазоне 50…200 км и обычно имеют в своем составе одну ККС, аппаратуру управления и контроля целостности и средства передачи данных. В качестве аппаратуры передачи данных ЛПДС часто применяют имеющиеся радиомаяки.

ЛДПС довольно разнообразны. Морские системы для передачи информации используют средневолновые радиомаяки дальностью до 200 км. В авиации в районе аэродромов используются подсистемы с общим названием GBAS (Ground Based Augmentation System) - Наземные системы функционального дополнения (рис.12).

Рис.12. ЛДПС GBAS

2.1.2 Псевдоспутники (псевдолиты)

Возможна разновидность дифференциальной подсистемы, когда передаваемые потребителю сигналы с поправками и другой информацией привязаны к местной шкале времени. После учета поправок шкала времени потребителя также оказывается привязанной к местной шкале времени, следовательно, принятые потребителем сигналы дифференциальной подсистемы являются источником информации о взаимной дальности и скорости потребителя относительно дифференциальной станции.

Если дифференциальная станция излучает сигнал, аналогичный сигналу НКА, она называется псевдоспутником (псевдолитом). Наиболее очевидным и частым примером применения псевдоспутников является выведение самолетов на посадочную глиссаду. При неудачном расположении НКА наличие псевдоспутников позволяет снизить значение геометрического фактора в вертикальной плоскости в 6…8 раз и в горизонтальной плоскости в 3…4 раза.

Фактически псевдоспутники представляют собой стационарные излучатели GPS-сигналов со значительно меньшей мощностью сигнала и, соответственно, меньшим радиусом действия. Прием их сигналов возможен на компактные пользовательские GPS-приемники, позволяющие использовать их при решении навигационной задачи.

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 GPS-сигналов, с помощью псевдоспутников теоретически можно обеспечить стабильную навигацию даже в отсутствие сигналов от «настоящих» спутников вообще. Использование псевдоспутников призвано скорректировать возможно плохие геометрические факторы ГЛОНАСС и GPS, если они появляются. В качестве критерия использовался взвешенный геометрический фактор WDOP:

WDOP=(2K_GV+K_GH)/3, (2)

где K_GV b K_GH - геометрические факторы при определении высоты и плановых координат соответственно (VDOP, HDOP). Взвешенный таким образом геометрический фактор подчеркивает роль горизонтальных координат по сравнению с вертикальной.

2.2 Правовая основа применения систем функционального дополнения

Стандарты на форматы данных и другие детали технической реализации систем функционально дополнения разрабатывает Специальный комитет морской радиотехнической комиссии RTCM SC-104 (Radio Technical Commission for Maritime Services, Special Committee 104). Несмотря на 'морское' название комиссии, стандарты рассчитаны и на наземных, и на воздушных потребителей. Хотя, в авиации более распространены стандарты Радиотехнической комиссии аэронавтики RTCA (Radio Techical Commission for Aeronautics).

Основными документами, регулирующими использование ККС в ГА являются:

- Федеральный закон Российской Федерации от 14 февраля 2009 г. N 22-ФЗ «О навигационной деятельности»;

- Постановление Правительства Российской Федерации от 25 августа 2008 г. N 641 г. Москва «Об оснащении транспортных, технических средств и систем аппаратурой спутниковой навигации ГЛОНАСС или ГЛОНАСС/GPS»

Опубликовано 3 сентября 2008 г.;

-Федеральные авиационные правила «Объекты единой системы организации воздушного движения» (утвержденные приказом Минтранса РФ от 18 апреля 2005 г. №31).

2.3 Описание и работа контрольно-корректирующей станции

2.3.1 Назначение контрольно-корректирующей станции

ККС (рис.13) является составной частью морской дифференциальной подсистемы ГЛОНАСС и GPS.

ККС предназначена для решения следующих задач:

а) одновременного приема и обработки радиосигналов НКА СНС ГЛОНАСС и GPS, находящихся в зоне радиовидимости при работе по раздельным созвездиям или по смешанному созвездию;

б) контроля целостности МДПС ГЛОНАСС и GPS путем определения неработоспособных спутников и передачи этой информации через радиомаяк на судовые приемники с минимальной временной задержкой;

в) управление работой радиомаяка;

г) формирования кадров корректирующей информации в соответствии со стандартом «RTCM SC-104 версия 2.2 для функционирования GNSS в дифференциальном режиме»;

д) преобразования кадров КИ в MSK-модулированный сигнал и передачу его по коаксиальной линии к передатчику радиомаяка;

е) оценки качества вырабатываемой КИ, включение в области PRC/RRC сообщений RTCM 1, 31 и/или 9, 34 признака «не использовать данный спутник» при формировании аномальных значений поправок;

ж) определения фазового центра антенны ГНСС по серии наблюдений в системах координат ПЗ-90 или WGS-84 по выбору оператора;

з) включения в RTCM-сообщения признака неудовлетворительной работы ККС при аномальных погрешностях координат, рассчитываемых с учетом дифференциальных поправок;

и) включения в области PRC/RRC сообщений RTCM 1, 31 и/или 9, 34 признака «не использовать данный спутник «при аномальной остаточной погрешности псевдодальности;

к) включения в RTCM-сообщение признака неконтролируемой работы ККС при отсутствии обратной связи от СИК и аномальных значениях геометрического фактора ухудшения точности;

л) формирования и передачи RTCM-сообщения шестого типа для заполнения возможных пауз в передачи дифференциальных поправок;

м) выдачи данных о результатах работы для документирования и архивирования;

о) оценки состояния канала передачи корректирующей информации;

п) контроля параметров работы радиомаяка и ККС на мониторе КС.

Опорная станция (ОС)

ОС (рис.13) в составе ККС обеспечивает решение задач согласно пп.2.3.1 а), б), г) л), а также:

- обмен информационно-управляющими сигналами (RSIM-сообщениями) с КС и СИК;

- ввод, редактирование и отображение информации на дисплее ОС;

- автоматический контроль функционирования ОС.

Станция интегрального контроля (СИК)

СИК (рис.13) в составе ККС обеспечивает решение задач согласно пп.2.3.1..а), н), о), а также:

- контроль целостности МДПС ГНСС и выдачу предупреждений в ОС и КС при выходе значений контролируемых параметров за допустимые пределы;

- обмен информационно-управляющими RSIM-сообщениями с ОС и КС;

- ввод, редактирование и отображение информации на дисплее СИК;

- автоматический контроль функционирования СИК.

Контрольная станция

КС (рис.13) в составе ККС обеспечивает:

а) установку и отображение на экране монитора КС следующих параметров работы опорной станции:

1) режим работы (совместный или раздельный по GPS и ГЛОНАСС);

2) радиочастоту передачи корректирующей информации;

3) скорость передачи информации (в бодах);

4) эталонные координаты фазового центра антенны ГНСС;

5) номер опорной станции;

6) минимальный угол радиовидимости НКА;

7) сигнальные пороги тревог:

- по допустимому количеству отслеживаемых спутников;

- по максимальному значению поправки псевдодальности;

- по максимальному значению скорости изменения псевдодальности;

- по максимальному времени ожидания обратной связи от СИК;

8) принудительно назначенное состояние НКА;

9) перечень и расписание RTCM-сообщений;

б) получение и отображение на экране монитора параметров и текущих данных о работе опорной станции:

1) корректирующей информации для всех видимых спутников:

- поправка псевдодальности PRC;

- скорость изменения поправки псевдодальности RRC;

- погрешность дифференциальной дальности потребителя UDRE;

- модифицированный Z - отсчет;

2) сигналов тревог:

- - недостаточное количество НКА;

- - нет подтверждения от СИК о нормальной работе;

- - превышение порога поправок псевдодальностей;

- - превышение порога скорости изменения поправок псевдодальностей;

3) состояние НКА (работоспособен/неработоспособен), передаваемое в бортовом сообщении или принудительно заданное с КС;

4) информации о каждом НКА, находящемся в зоне радиовидимости ОС (азимут, угол возвышения, отношение сигнал/шум, URA/En*);

в) установку и отображение на экране монитора КС следующих параметров станции интегрального контроля:

1) режим работы (GPS/ГЛОНАСС/GNSS или GPS и ГЛОНАСС);

2) номер контролируемой опорной станции;

3) эталонные координаты фазового центра антенны ГНСС;

4) частота и скорость передачи корректирующей информации;

5) минимальный угол возвышения НКА;

6) сигнальные пороги тревог и интервалов наблюдений:

- по максимально допустимому времени устаревания поправок;

- по максимальному проценту ошибок в принятых RTCM-сообщениях;

- по минимальному уровню принимаемого сигнала радиомаяка;

* URA/En параметры, характеризующие потенциальную точность формирования поправок для данного спутникав)

- по минимальному соотношению сигнал/шум принимаемого сигнала от радиомаяка;

- по минимальному количеству НКА на слежении;

- по максимальной величине геометрического фактора (HDOP);

- по максимальной погрешности плановых координат;

- по максимальной остаточной погрешности псевдодальности;

- по значению погрешности дифференциальной дальности потребителя;

- по максимальной остаточной погрешность скорости изменения псевдодальности.

г) получение и отображение на экране монитора КС параметров и текущих данных о работе станции интегрального контроля:

1) обобщенные характеристики интегрального контроля:

- погрешности координат (широта, долгота, высота);

- PDOP, HDOP и VDOP;

- количество НКА, используемых при решении навигационной задачи;

2) подробные результаты интегрального контроля для видимых НКА:

- остаточные погрешности псевдодальности;

- остаточные погрешности скорости изменения псевдодальности;

- показатель качества коррекции;

- оценка дисперсии измерений;

- время устаревания поправок;

3) состояние линии передачи данных:

- уровень сигнала;

- отношение сигнал/шум;

- процент ошибок в RTCM-сообщениях;

- среднее время устаревания поправок;

4) сигналы тревог:

- большое время устаревания поправок;

- высокий процент ошибок в RTCM-сообщениях;

- низкий уровень принимаемого MSK-сигнала;

- низкое соотношение сигнал/шум;

- недостаточное количество наблюдаемых НКА;

- большая погрешность горизонтальных координат;

- высокое значение остаточной погрешности псевдодальности;

- высокое значение остаточной погрешности скорости изменения псевдодальности;

- превышение порогового значения погрешности дифференциальной дальности потребителя;

5) состояние НКА (работоспособен/неработоспособен), передаваемое в бортовом сообщении и принудительно заданное КС;

6) информация о каждом НКА, находящемся в зоне радиовидимости СИК (азимут, высота, отношение сигнал/шум, URA/En);

7) контроль и отображение типов, времени последнего поступления и периодичности принимаемых RTCM-сообщений;

8) графическое отображение результатов определения местоположения;

д) установку и отображение на экране монитора КС параметров работы РМк:

- номер передающего полукомплекта;

- уровень мощности;

- диапазон допустимых значений тока в антенне;

- диапазон допустимых значений напряжения источника питания;

е) получение и отображение на экране монитора параметров работы РМк:

- уровень мощности;

- ток в антенне;

ж) обмен информационно-управляющими RSIM-сообщениями (с учетом ГЛОНАСС) с ОС и СИК;

з) документирование и архивирование данных о результатах работы;

и) контроль состояния и управление режимами работы ОС, СИК, радиомаяка.

Рис. 13. Функциональная схема ККС

2.3.2 Технические характеристики

ККС обеспечивает определение координат места судна с точностью от1 до 5 м в зоне действия дифсистемы.

Погрешности измерения радионавигационных параметров не более:

- СКП псевдодальности 0,35 м;

- СКП скорости изменения псевдодальности 0,05 м/с.

Погрешности формирования поправок не более:

- СКП поправок псевдодальности 0,35 м;

- СКП скорости изменения поправок псевдодальности 0,05 м/с.

Время задержки RTCM-сообщения от момента формирования до момента начала передачи не более 1 с.

Время выработки сигнала тревоги при превышении порогов по остаточной погрешности псевдодальностей, погрешности плановых координат, величине HDOP не более 0,25 с.

Форматы сообщений ККС принимаемых извне и передаваемых во внешние устройства соответствуют:

- Стандарту «RTCM SC-104, версия 2.2 для функционирования GNSS в дифференциальном режиме»;

- Стандарту «RTCM для дифференциальных опорных станций и станций интегрального контроля (RSIM), версия 1.1» (с учетом ГЛОНАСС).

- Протоколу BINR

Количество каналов приемника ГЛОНАСС/GPS 28.

Тип принимаемого сигнала:

- ГЛОНАСС ПТ-код в диапазоне частот F1;

- GPS С/А-код на частоте L1.

Количество каналов передачи MSK-модулированных сигналов в РМк 2.

Параметры MSK-модулированного сигнала по каждому каналу (табл.7):

Таблица 7

Параметры MSK-модулированного сигнала

Питание ККС осуществляется от сети однофазного переменного тока напряжением 22015% (+22; -33) В, (502,5) Гц через источник бесперебойного питания из состава ККС. Потребляемая мощность не более700 Вт.

Габаритные размеры и масса ККС:

- габаритные размеры стойки ККС 600х800х1950 мм;

- масса, не более: 250 кг.

Внешние воздействия

ККС сохраняет свои технические характеристики при воздействии:

- рабочей температуры в диапазоне:

- от 0 до плюс 50 °С для ОС, СИК, КС;

- от минус 50 до плюс 65 °С для антенн;

- относительной влажности:

· для антенны 100 % при температуре 35 С;

· для ОС, СИК, КС 95 % при температуре 35 С.

Технические характеристики опорной станции

· количество каналов приемника ГЛОНАСС/GPS 28;

· тип применяемого сигнала:

Ш СНС ГЛОНАСС ПТ-код в диапазоне частот L1;

Ш СНС GPS С/А-код на частоте L1;

· точность измерения скорости изменения псевдодальности, не более 0,04м/с;

· точность коррекции псевдодальности, не более 0,30м;

· точность поправок к скорости изменения псевдодальностей, не более 0,04м;

· интервал обновления и выдачи данных 1 с;

· время первого определения после прогрева ОГ, не более 2 мин;

· типы передаваемых сообщений 1, 3, 5, 7, 9, 16, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37;

· количество последовательных портов RS-232 4;

· параметры MSK-модулятора:

Ш диапазон частот от 283,5 до 325,0 кГц;

Ш отклонение несущей частоты, не более 4х10^-6;

Ш уход частоты MSK-модулятора, не менее 10^-6;

Ш уровень выходного сигнала при нагрузке 50 Ом, не менее 0,5 В;

Технические характеристики станции интегрального контроля:

· количество каналов приемника 28;

· тип принимаемого сигнала:

Ш СНС ГЛОНАСС ПТ-код в диапазоне частот L1;

Ш СНС GPS С/А-код на частоте L1;

· точность измерения псевдодальности (СКП), не более 0,30м;

· точность измерения скорости изменения псевдодальности, не более 0,04м;

· время первого определения после прогрева ОГ, не более 2 мин.;

· типы передаваемых сообщений 1, 31, 9, 34, 3, 32, 5, 33, 7, 35, 16, 36, 37;

· количество последовательных портов RS-232 4;

· параметры приемника диффсообщений:

Ш диапазон частот от 283,5 до 325,0 кГц;

Ш отклонение несущей частоты 2 Гц;

Ш скорость приемника информации 50, 100 или 200 бит/с;

Ш тип модуляции MSK. Кодировка информации: логический «0» сдвиг текущей фазы несущей частоты на минус 90, логическая «1» сдвиг на 90;

Ш дискретность настройки по частоте 0,5 кГц.

Технические характеристики контрольной станции

Контрольная станция выполнена на базе IBM-совместимого компьютера с программным обеспечением контроля и управления ОС, СИК и РМк.

Контрольная станция состоит из следующих частей:

- системный блок УВМ РАМЭК - 011 с входящими платами:

- СР168U 8 port с кабелем Opt/8D;

- WDT-01;

- промышленный монитор цветной 17 Рамэк-17 с разрешением 800х600 при частоте вертикальной развертки 70 Гц;

- клавиатура 105 клавиш, со встроенным манипулятором «мышь».

Все составные части выполнены в корпусах для установки в 19 стойку (рис.14).

Операционная система, установленная в контрольной станции Windows Professional 2000 service pack 4.

Рис.14. Внешний и порядок размещения аппаратуры ККС

3. Расчет дальности действия ККС

3.1 Особенности распространения волн средневолнового диапазона

Одной из основных характеристик дифференциальных подсистем является дальность действия. Знание приблизительной зоны действия составных частей (радиомаяков) необходимо для проектирования и планирования работы каждой конкретной подсистемы.

При расчете дальности действия необходимо учитывать особенности распространения волн СВ диапазона.

Поверхностные волны СВ диапазона распространяются вдоль подстилающей поверхности Земли. Подстилающей поверхностью может быть суша, море. Поверхность Земли может быть гористой, равнинной, покрытой лесными массивами и др. В реальных условиях подстилающая поверхность вдоль трассы распространения всегда неоднородна. Практически невозможно учесть все неоднородности Земли. При расчете радиотрассы свойства подстилающей поверхности Земли оцениваются двумя среднестатистическими электрическими параметрами: относительной диэлектрической проницаемостью ? и проводимостью ?, которая измеряется в единицах Сим/м.

Напряженность поля в месте приема определяется этими двумя параметрами.

Для равнинной части суши примерные значения параметров: ? = 5М10^-3 Сим/м, ? = 4, а для моря средней солености - ? = 70, ? = 5 Сим/м.

Радиоволны СВ диапазона сильно поглощаются в слое D атмосферы Земли. Это приводит к тому, что днем электромагнитное поле у земной поверхности вплоть до самых больших расстояний от передатчика обусловлено преимущественно прямой волной. Ночью же, когда слой D исчезает, радиоволны СВ диапазона отражаются от ионосферы и приходят на землю с ничтожными потерями. Поэтому интенсивность поля возрастает не только на больших расстояниях, но и на удалении до 200 км от излучателя. По этой причине в СВ диапазоне условия распространения одинаково меняются ото дня к ночи, однако характер поведения поля в ночное время нерегулярен во времени на различных расстояниях до излучателя.

Таким образом, при распространении радиоволн диапазона СВ в дневное время отраженная волна отсутствует, особенно в летние месяцы, т.к. днем в атмосфере появляется ионизированный слой D, который сильно поглощает волны СВ диапазона. В диапазоне СВ почва является хорошим проводником, поэтому при расположении непосредственно над поверхностью земли используют антенны с вертикальной поляризацией. Действительно, при распространении электромагнитных волн над бесконечно большой проводящей плоскостью, применяя принцип зеркального изображения для вертикального источника, величина электрической составляющей удваивается по сравнению со свободным пространством (над бесконечно проводящей поверхностью тангенциальные составляющие электрического поля отсутствуют).

Чтобы учесть влияние конечной проводимости земли, значение поля над бесконечно проводящей поверхностью умножается на коэффициент V, называемый «функцией ослабления» для сферической земли, показывающий во сколько раз поле передатчика на поверхности поглощающей земли отличается от поля передатчика на поверхности плоской непроводящей земли при прочих равных условиях.

Большое влияние на распространение радиоволн СВ диапазона оказывают атмосферные шумы. При определении уровня атмосферных помех могут использоваться графики МСЭ, на которых приведены медианные значения уровней помех.

Рельеф реальной суши обычно неровный, а величина напряженности поля принимаемого сигнала зависит не только от электрической проводимости подстилающей поверхности, но и от характера рельефа. Поэтому проводимости суши определяются не только физико-химическими свойствами. Для учета влияния рельефа вводят понятие «кажущейся» проводимости. Значения «кажущейся» проводимости для различных видов местности приведены в таблице 8.

Таблица 8

Значения 'кажущейся' проводимости

Дальность действия СВ диапазона увеличивается из-за рефракции в тропосфере, которая происходит из-за непостоянства коэффициента преломления атмосферы с увеличением высоты над землей. Это приводит к искривлению траектории, луч прижимается к земле и, попадая в дифракционную область, увеличивает значение напряженности поля.

Для учета рефракции используется понятие «эффективного радиуса» Земли, значение которого для «нормальной» рефракции а_эф ? 8500 км.

3.2 Модель распространения радиоволн, полученная графическим путем

Кривые распространения радиоволн приведены в рекомендации МСЭ-R Р.368-8. Эти кривые рассчитаны при следующих положениях:

· они относятся к гладкой однородной сферической земле;

· индекс рефракции в тропосфере уменьшается с высотой экспоненциально;

· передающая и приемная антенны расположены на уровне земли;

· излучающим элементом является короткий вертикальный вибратор;

· вертикальная антенна находится на идеально проводящей поверхности земли и излучает мощность 1 кВт;

· кривые даются для расстояний, измеренных по искривленной поверхности земли;

· на кривых приведены значения вертикальной составляющей напряженности излучаемого поля.

Напряженность поля земной волны может меняться в зависимости от сезонных температур. Среднегодовая разность между зимними и летними месячными медианными уровнями напряженности поля на частотах 500… 1000 кГц меняется в пределах от 5 дБ (когда средняя температура января для Северного полушария составляет +4 ⁰С) до 15 дБ (когда средняя температура января для Северного полушария составляет -16 ⁰С).

На рисунке 15 приведены кривые распространения земной волны для различных значений ? и ?.

Расчет напряженности электрического поля, состоящей из нескольких однородных участков, можно рассчитать по методу, предлагаемому МСЭ согласно методике МСЭ-R Р.368-8 (рис.15) Согласно этому методу значения уровней напряженностей могут быть пересчитаны для любой другой мощности источника излучения. Если излучаемая мощность передатчика не равна 1кВт, то полученное по графику значение напряженности поля (мкВ/м) умножается на величину vP_изл .

Рис.15. Кривые распространения радиоволн на частоте 300 кГц

Для базовой станции, имеющей мощность передатчика 2,5 кВт пересчитанные кривые распространения при ? = 3 сим/м и ? =10 ^-4 .

Из рисунка 15 определяем дальность действия, соответствующую заданной чувствительности приемника дифференциальных поправок, равной 2,5 мкВ/м. Дальность действия равна 320 км. Дальность действия увеличивается с уменьшением чувствительности приемника диффпоправок.

3.3 Метод частотной модуляции с минимальным сдвигом

При использовании традиционных методов частотное кодирование импульсов осуществляется путем изменения несущей частоты сигнала от значения f₁ до значения f₂, а при фазовом кодировании фаза высокочастотного заполнения импульсов скачком меняется от значения 0 до значения ?.

Скачкообразное изменение передаваемого параметра приводит к расширению полосы занимаемых частот. Проблеме сокращения частотного спектра в последнее время уделяется большое внимание, т.к. СВ диапазон передачи дифференциальных поправок не велик (283,5 - 325 кГц).

Рис.16. Структурная схема MSK-модулятора

Рис.17. Формирование MSK-модулированного сигнала

Применение MSK-модуляции позволяет сократить спектр сигналов в два раза по сравнению с традиционными методами модуляции.

Индекс частотной модуляции выбирается 0,5 при частотном разносе в 25 кГц между каналами связи, в дальнейшем возможно уменьшение индекса модуляции до 0,25 при частотном разносе 12,5 кГц. Схема частотного модулятора приведена на рисунке 16.

Входная последовательность двоичных импульсов (рис.17,а) поступает на вход модулятора в блок преобразователя кода.

В преобразователе кода входная последовательность x(t) делится на два потока импульсов. В первом потоке x₁(t) выходные импульсы с выхода преобразователя кода представляют собой увеличенные в два раза по длительности нечетные импульсы входной последовательности x(t) (рис. 17,б), во втором потоке ? увеличенные в два раза по длительности четные импульсы входной последовательности (рис. 17, в). Два нелинейных квадратурных преобразователя формы импульсов (преобразователи формы импульсов 1 и 2) с коэффициентом преобразования А₀ осуществляют преобразование прямоугольной формы импульсов в синусоидальную форму (на выходе преобразователя формы импульсов 1) и в косинусоидальную (на выходе преобразователя формы импульсов 2) (рис.17, е). Частота преобразующей синусоиды выбирается из соотношения:

,

где Тс ? длительность бита. Длительность полуволны преобразующей частоты равна двум длительностям битовых посылок.

Фаза преобразующей частоты должна совпадать с фазой импульсов входного потока.

На выходе нелинейных преобразователей формы сигналы фильтруются полосовыми фильтрами, настроенными на преобразующую частоту.

Сигналы с выхода полосовых фильтров поступают на квадратурные амплитудные модуляторы 1 и 2. На выходе модуляторов соответственно получаем:

y1(t) =А₀x₁ sin(?t/2Tc) sin?₀t

y2(t) = A₀x₂ sin(?t/2Tc) sin?₀t

где ?₀t ? номинальная круговая несущая частота излучаемого сигнала.

Фаза несущей частоты сигнала (рис.17, д и рис.17, ж) инвертируется в соответствии с полярностью преобразованных по форме сигналов.

На выходе сумматора получается

y(t) = y₁(t) + y₂(t) = A₀cos[?₀t + ?(t)],

где ,

причем b_i(t) = - x₁(t)·x₂(t), а фаза ?_i принимает значение 0 или ?, когда функция x₂(t) равна 1 или 0 соответственно. Текущее значение фазы приведено на рис.17, з, выходной сигнал на - на рис.17, и.

Выходное колебание имеет постоянную амплитуду А₀ и одну из двух возможных частот в пределах длительности битовых посылок:

Частотный разнос ?₁ - ?₂ = 2??f, где ?f = 1/T_c = 4800 Гц.

При этом индекс модуляции:

Для получения индекса модуляции ? = 0,25 необходимо использовать прямой метод частотной модуляции с непрерывной фазой (ЧМНФ) ?.

При прямом методе, если сигнал на выходе модулятора на интервале [0, Tc] имеет вид:

y(t) = A₀cos(?₀t + x₀?/2Tc),

то в общем виде

y(t) = A₀cos[?₀t + ?(t)],где

В частном случае сигнал на интервале [0, Tc] записывается в виде :

y(t) = A₀cos[?₀t + x₀b pt/Tc],

а на интервале [kTc, (k + 1)Tc] имеет вид:

,

при этом индекс модуляции ? не обязательно должен быть равен 0,5 и может быть выбран равным 0,25. Частотный разнос при этом 2400 кГц.

Прямой метод модуляции с непрерывной фазой может быть реализован как с помощью сигнального процессора, так и аналоговым методом.

При аналоговом методе модуляции (рис.18) плавное изменение фазы реализуется на частотном модуляторе, на модулирующий вход которого поступает входной сигнал x(t), пропущенный через преобразователь формы, обеспечивающий плавное изменение амплитуды (например, в виде приподнятого косинусоидального импульса или гауссовой кривой). В частном случае роль преобразователя формы может выполнять фильтр нижних частот.

Рис.18. Аналоговый метод прямой модуляции с непрерывной фазой

Возможность использования формы огибающей в виде гауссовой кривой привело к возникновению названия метода модуляции GMSK/FM - Gauss Minimum Shift Keying Frequency Modulation.

На выходе частотного модулятора несущая частота меняется по закону приподнятого импульса, а фаза ЧМ-сигнала является непрерывной.

Некогерентный прием ЧМ-сигналов может производится с помощью структурной схемы, приведенной на рисунке 19.

Рис.19. Схема некогерентного приема ЧМ-сигналов

В каскаде преобразователя ЧМ в АМ производится преобразование изменения частоты сигнала в изменение амплитуды. На выходе амплитудного детектора и фильтра нижних частот получаем выходной сигнал, регистрируемый решающим устройством.

Метод частотной модуляции сигналов без разрыва фазы позволяет уменьшить полосу занимаемых частот, а следовательно может эффективно использоваться при передаче КИ.

Выводы и рекомендации

Появление контрольно-корректирующих станций, как части дифференциальной системы GNSS, возникло в связи с требованиями по точности определения координат места в опасных навигационных районах, при заходах на посадку ВС. За последние 10 лет дифференциальный сервис сделал серьезный скачок в своем развитии не только за рубежом, но и в нашей стране. В настоящее время (с 2002 г.) по плану ФЦП «Глобальная навигационная система» к 2011 году должно закончиться развертывание системы. От развертывания системы напрямую зависит безопасность полетов, следовательно, развитие диффсервиса будет продолжаться, несмотря на немалые затраты на финансирование.

Один из основных недостатков дифференциальных подсистем -- высокая стоимость оборудования. Решение этой проблемы заключается в здоровой конкуренции на рынке навигационной аппаратуры. На данный момент не так уж много компаний, производящих и устанавливающих ККС. Однако с расширением системы не исключено и расширение рынка производимой продукции. К безусловным плюсам ККС относится полная автономная работа, что исключает расходы на оплату труда обслуживающего персонала. Составные блоки ККС имеют 100% резервирования. Это существенно поднимает надежность системы, а следовательно и затраты на обслуживание и регулярные проверки ККС.

В целом, развитие дифференциальных подсистем на основе ККС является перспективным. Экономический эффект от внедрения диффсистем положительно скажется в первую очередь на авиакомпаниях, т.к. использование подсистемы позволит затрачивать меньше времени на производство полетов и затрат на топливо.

По результатам анализа развития наземных систем функционального можно сделать следующие выводы:

- в соответствии с Постановлением Правительства РФ от 25 августа 2008г. № 641 «Об оснащении транспортных, технических средств и систем аппаратурой спутниковой навигации ГЛОНАСС или ГЛОНАСС/GPS» все ВС должны быть оснащены аппаратурой ССН ГЛОНАСС или ГЛОНАСС/GPS;

-группировка спутников ГЛОНАСС не на 100% сформировано, как GPS, но практически смысл даже в таком виде система имеет весьма внушительный. Так как в северных широтах, ввиду особенностей построения спутниковой группировки, сигнал GPS принимается не стабильно, то это приводит к снижению точности измерений. Над Северным Полюсом, вблизи которого проходит большинство трансатлантических авиарейсов из России в Северную Америку, GPS-сигнал отсутствует. Система ГЛОНАСС лишена подобных недостатков;

-использование диффсистем позволяет существенно повысить точность и определять координаты с точностью до нескольких десятков сантиметров;

-развертывание ФЦП «Глобальная навигационная система» должно быть закончено в 2011 г., однако за счет дороговизны внедрения, её реализация отстает от плана. Согласно докладу начальника РТО и С Федеральной аэронавигационной службы Корчагина В.А., на территории РФ до 2011 г. будет установлено только 40% планируемых ЛККС.

В связи с этим можно предложить следующие рекомендации:

- необходимо ускорить процесс развертывания ЛККС;

- вследствие дороговизны аппаратуры диффпоправок, их надо устанавливать на тех трассах, которые характеризуются наибольшей интенсивностью воздушного движения;

- в ряде случаев дешевле устанавливать оборудование псевдоспутников;

-определять чувствительность приемника в зависимости от потребной дальности передачи поправок по предложенному графику (рис.17);

- дальность действия локальной системы не должна превышать 200 км в связи с ухудшением достоверности поправок.

Список использованной литературы

1) В.И. Бабуров, Н.В. Васильева, Н.В. Иванцевич, Э.А. Панов «Современное использование радионавигационных систем и сетей псевдоспутников», издательство Агентство «РДК-Принт», 2005 г.;

2) Е.М. Верещагин «Антенны и распространение радиоволн», Военное издательство министерства обороны СССР, 1964 г.;

3) «Контрольно-корректирующая станция морской дифференциальной подсистемы космических навигационных систем ГЛОНАСС и GPS. Руководство по эксплуатации», ЗАО «КБ Навис» 2005 г.;

4) Постановление Правительства Российской Федерации от 25 августа 2008 г. N 641 г. Москва «Об оснащении транспортных, технических средств и систем аппаратурой спутниковой навигации ГЛОНАСС или ГЛОНАСС/GPS»;

5) Ю.А. Соловьев «Спутниковая навигация и ее приложения»,Эко-Трендз, 2003 г.;

6) Федеральная целевая программа «Глобальная навигационная система»;

7) http://www.wireless-e.ru/articles/technologies/2006_4_64.php;

8) http://avia.transas.com/company/seminar/s2007/files/2_Korchagin.pdf;

9) http://www.aviationweb.ru/study-124-15.html;

10) http://www.atminst.ru/up_files/doklad_8.pdf.