Размещено на http://www.allbest.ru/

71

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ВОДНЫХ КОММУНИКАЦИЙ

СУДОВОДИТЕЛЬСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ СУДОВОЖДЕНИЯ И СВЯЗИ

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

НА ТЕМУ: ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЗАЩИЩЕННОСТИ ЛОКАЛЬНЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ПОДСИСТЕМ НА ЕДИНОЙ ГЛУБОКОВОДНОЙ СИСТЕМЕ ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ДОПУЩЕНА К ЗАЩИТЕ 24 ФЕВРАЛЯ 2001

ЗАВЕДУЮЩИЙ ВЫПУСКАЮЩЕЙ КАФЕДРЫ

АКАДЕМИК, Д.Т.Н. СИКАРЕВ А.А.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ

ДОЦЕНТ, К.Т.Н. ВИШНЕВСКИЙ. Ю.Г.

ИСПОЛНИТЕЛЬ СТУДЕНТ

ПОЧИВАЛОВ В.В.

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 2000 г.

Содержание

Введение

1. Структура и принцип построения локальной дифференциальной подсистемы

2. Проблема электромагнитной защищенности локальной дифференциальной подсистемы

3. Особенности эксплуатации локальных дифференциальных подсистем

4. Организационные и технические мероприятия на контрольно-корректирующей станции и на судне по обеспечению электромагнитной защищенности

Заключение

Список литературы

Введение

Надежное навигационное обеспечение судов имеет важное значение для безопасности их плавания, эффективной эксплуатации и предотвращения экологических бедствий.

Специфика работы морского, речного и рыбопромыслового флотов определяет необходимость применения таких средств навигации, которые бы с минимумом затрат обеспечили удовлетворение современных и перспективных требований, предъявляемых потребителями в любом районе Земного шара.

Особую значимость вопросы надежного, высокоточного контроля за положением судна приобретают при плавании в прибрежной зоне, на внутренних водных путях, в узостях, каналах и на акваториях портов, где последствия аварии судна в большой степени связаны с риском загрязнения окружающей среды.

Для удовлетворения современных требований к навигационному обеспечению судоходства внедряются качественно новые средства судовождения, в том числе спутниковые навигационные системы (СНС).

Первые системы спутниковой навигации создавались исключительно для военных нужд, однако в настоящее время они широко применяются в гражданских целях. С их помощью осуществляется контроль за транспортными и грузовыми перевозками (автомобильными, железнодорожными, морскими).

Глобальная навигационная система GPS (Global Positioning System), известная также как Navstar (Navigaion System with Time and Ranging - Навигационная система определения времени и дальности), предназначена для передачи навигационных сигналов, которые могут одновременно приниматься во всех регионах мира.

Система была разработана по заказу Министерства обороны США, а космические аппараты (КА) изготовила компания Rockwell International.

Российская спутниковая навигационная система (СНС) аналогичного назначения, известная под названием "Глонасс" (Глобальная навигационная спутниковая система) разрабатывалась по заказу Министерства обороны России, но сейчас применяется для предоставления навигационных услуг различным категориям потребителей - без каких-либо ограничений. Орбитальная группировка российской системы навигации была развернута в начале 90-х гг., а ее коммерческая эксплуатация осуществляется с 1995 г.

На точность определения координат существенное влияние оказывают ошибки, возникающие при выполнении процедуры измерений. Природа этих ошибок различна.

Погрешности, обусловленные режимом селективного доступа (Selective availability, S/A). Реализуя этот режим, провайдер услуг GPS (Министерство обороны США) намеренно снижает точность определения местонахождения для гражданских потребителей. В режиме S/A формируются ошибки искусственного происхождения, вносимые в сигнал на борту GPS-спутников с целью загрубления навигационных измерений. Такими ошибками являются неверные данные об орбите спутника и искажения показаний его часов за счет внесения добавочного псевдослучайного сигнала. Величина среднеквадратической ошибки из-за влияния этого фактора составляет примерно 30 м.

Неточное определение времени. При всей точности временных эталонов ИСЗ существует некоторая погрешность шкалы времени аппаратуры спутника. Она приводит к возникновению систематической ошибки определения координат около 0.6 м.

Ошибки вычисления орбит. Появляются вследствие неточностей прогноза и расчета эфемерид спутников, выполняемых в аппаратуре приемника. Эта погрешность также носит систематический характер и приводит к ошибке измерения координат около 0.6 м.

Инструментальная ошибка приемника. Обусловлена, прежде всего, наличием шумов в электронном тракте приемника. Отношение сигнал/шум приемника определяет точность процедуры сравнения принятого от ИСЗ и опорного сигналов, т.е. погрешность вычисления псевдодальности. Наличие данной погрешности приводит к возникновению координатной ошибки порядка 1.2 м.

Многопутность распространения сигнала. Появляется в результате вторичных отражений сигнала спутника от крупных препятствий, расположенных в непосредственной близости от приемника. При этом возникает явление интерференции, и измеренное расстояние оказывается больше действительного. Аналитически данную погрешность оценить достаточно трудно, а наилучшим способом борьбы с нею считается рациональное размещение антенны приемника относительно препятствий. В результате воздействия этого фактора ошибка определения псевдодальности может увеличиться на 2.0 м.

Ионосферные задержки сигнала. Ионосфера - это ионизированный атмосферный слой в диапазоне высот 50 - 500 км, который содержит свободные электроны. Наличие этих электронов вызывает задержку распространения сигнала спутника, которая прямо пропорциональна концентрации электронов и обратно пропорциональна квадрату частоты радиосигнала. Для компенсации возникающей при этом ошибки определения псевдодальности используется метод двухчастотных измерений на частотах L1 и L2 (в двухчастотных приемниках). Линейные комбинации двухчастотных измерений не содержат ионосферных погрешностей первого порядка. Кроме того, для частичной компенсации этой погрешности может быть использована модель коррекции, которая аналитически рассчитывается с использованием информации, содержащейся в навигационном сообщении. При этом величина остаточной немоделируемой ионосферной задержки может вызывать погрешность определения псевдодальности около 10 м.

Тропосферные задержки сигнала. Тропосфера - самый нижний от земной поверхности слой атмосферы (до высоты 8 - 13 км). Она также обуславливает задержку распространения радиосигнала от спутника. Величина задержки зависит от метеопараметров (давления, температуры, влажности), а также от высоты спутника над горизонтом. Компенсация тропосферных задержек производится путем расчета математической модели этого слоя атмосферы. Необходимые для этого коэффициенты содержатся в навигационном сообщении. Тропосферные задержки вызывают ошибки измерения псевдодальностей в 1 м.

Геометрическое расположение спутников. При вычислении суммарной ошибки необходимо еще учесть взаимное положение потребителя и спутников рабочего созвездия. Для этого вводится специальный коэффициент геометрического ухудшения точности PDOP (Position Dilution Of Precision), на который необходимо умножить все перечисленные выше ошибки, чтобы получить результирующую ошибку. Величина коэффициента PDOP зависит от взаимного расположения спутников и приемника. Она обратно пропорциональна объему фигуры, которая будет образована, если провести единичные векторы от приемника к спутникам. Большое значение PDOP говорит о неудачном расположении ИСЗ и большой величине ошибки. На Рис.5 приведены примеры удачного (а) и неудачного (б) геометрического положения спутников. Типичное среднее значение PDOP колеблется от 4 до 6.

Один из основных методов повышения точности определения местонахождения объекта и устранения ошибок, связанных с введением режима селективного доступа, основан на применении известного в радионавигации принципа дифференциальных навигационных измерений.

Сигналы дифференциальной коррекции от радиомаяков передаются на частотах от 283,5 до 325 кГц. Эти радиомаяки специально предназначены для обеспечения морской и речной навигации и имеют радиус действия от 100 до 250 миль.

Дифференциальный режим позволяет установить координаты с точностью до 5 м в динамической навигационной обстановке и до 2 м - в стационарных условиях. Дифференциальный режим реализуется с помощью контрольного GPS-приемника, называемого опорной станцией. Она располагается в пункте с известными координатами, в том же районе, что и основной GPS-приемник, и дает возможность одновременно отслеживать GPS-спутники.

Однако погрешности определения дифференциальным методом получены без учета случайных погрешностей измерений, производимых на контрольно-корректирующей станции, а также без учета комплексной оценки электромагнитной защищенности судовых средств радионавигации на трассах речного флота. Такой учет электромагнитной защищенности позволит повысить точность определения пространственных координат судна.

В этой связи целью дипломной работы является обоснование комплекса мероприятий по обеспечению электромагнитной защищенности радионавигационных линий связи на основе изучения и критического анализа структуры, особенностей эксплуатации локальных дифференциальных подсистем, методов, обеспечивающих электромагнитную защищенность.

В основу решения данной проблемы мною были положены теория сигналов, элементы теории случайных процессов, а также метод исследования электромагнитной защищенности дифференциальных радионавигационных систем на основе «поля поражения сигнала», разработанный академиком А.А.Сикаревым и доцентом Ю.Г.Вишневским.

1. Структура и принцип построения локальной дифференциальной подсистемы

Дифференциальный режим радионавигационных систем первоначально разрабатывался применительно к РНС типа ЛОРАН и ОМЕГА. Существенна роль российских ученых (B.C. Шебшаевич и др.) в разработке основ дифференциального режима ГЛОНАСС [I].

В основе метода дифференциальной навигации лежит относительное постоянство значительной части погрешностей СРНС во времени и в пространстве. Необходимость использования дифференциального режима СРНС определяется стремлением удовлетворить наиболее жестким требованиям навигационного обеспечения таких задач, как мореплавание в проливных зонах и узостях, геодезическая привязка и т.п.

Уже первые эксперименты показали возможность снижения ошибок (СКО) определения координат по системе GPS с 20 м до 5 м и высоты - с 40 м также до уровня 5 м.

Дифференциальный режим СРНС предполагает наличие как минимум двух спутниковых приемников или приемоизмерителей (ПИ). Например, ПИ1 (контрольно-корректирующая станция) и ПИ2 (потребитель) расположены в точках 1 и 2 пространства, причем ПИ1 геодезически точно привязан к принятой системе координат (ПЗ-90 или WGS-84). Разности между измеренными ПИ1 и рассчитанными в нем значениями псевдодальностей "видимых" КА, а также разности соответствующих псевдоскоростей по линии передачи данных (ЛПД) передаются в виде дифференциальных поправок ПИ2, в котором они вычитаются из измеренных ПИ2 псевдодальностей (ПД) и псевдоскоростей. В случае, если погрешности определения ПД слабо изменяются во времени и пространстве, они существенно компенсируются переданными по ЛПД поправками. В нашем случае ошибки ПД за счет синхронизации НКА практически постоянны в пространстве. Для погрешности определения координат НКА 20 м изменчивость ошибок ПД составляет сантиметры при разности расстояний порядка 100 км и дециметры при взаимных удалениях порядка 1000 км.

Изменчивость во времени и пространстве стабильных составляющих ионосферных погрешностей, обусловленных запаздыванием сигнала при прохождении в ионосфере, характеризуется корреляционной функцией, которая имеет времена и пространственные радиусы корреляции на уровне соответственно нескольких часов и тысяч километров. Поэтому на интервале в несколько единиц минут и сотен км ионосферные погрешности в условиях спокойной ионосферы можно полагать достаточно стабильными. Их уровень составляет от 10 до 40 м и достигает минимума при максимальном угле места визируемого КА. Обычно их изменчивость через 1 минуту составляет 0,1...0,2 м (СКО), а через 6 минут- 0,3... 1,4 м.

Точность местоопределения после ввода поправок определяется остаточными погрешностями, обусловленными изменчивостью квазисистематических ошибок синхронизации и эфемеридного обеспечения НКА, ошибок за счет ионосферы, погрешностей селективного доступа GPS, а также ошибками, обусловленными шумами и помехами, многолучевостью и воздействием тропосферы.

Наиболее эффективным средством исключения ошибок является дифференциальный способ наблюдений - DGPS (Differential GPS). Его суть состоит в выполнении измерений двумя приемниками: один устанавливается в определяемой точке, а другой - в точке с известными координатами - базовой (контрольной) станции.

Дифференциальный режим СНС основан на знании точного географического положения опорной станции (ОС) дифференциальной подсистемы СНС (ДСНС), координаты которой используются для расчета поправок к измеряемым псевдодальностям до всех спутников, находящихся в зоне радиовидимости ОС. Поправки в виде разностей измеряемых и расчетных значений псевдодальностей в составе дифференциальных сообщений, передаются потребителям, в ПА СНС которых измеренные величины псевдодальностей корректируются с их помощью.

Поскольку расстояние от ИСЗ до приемников значительно больше расстояния между самими приемниками, то считают, что условия приема сигналов обоими приемниками практически одинаковы. А, следовательно, величины ошибок также будут близки. В режиме DGPS измеряют не абсолютные координаты первого приемника, а его положение относительно базового (вектор базы). Использование дифференциального режима позволяет практически полностью исключить влияние режима SA и довести точность кодовых измерений до десятков сантиметров, а фазовых - до единиц миллиметров. Наилучшие показатели имеют фазовые двухчастотные приемники. Они отличаются от фазовых одночастотных более высокой точностью, более широким диапазоном измеряемых векторов баз и большей скоростью и устойчивостью измерений. Однако современные технологические достижения позволяют одночастотным фазовым приемникам по характеристикам приблизиться к двухчастотным.

Одной из особенностей режима DGPS является необходимость передачи дифференциальных поправок от базового приемника к определяемому. При этом различают два метода корректировки информации:

Метод коррекции координат, когда на станции и в определяемой точке наблюдают одни и те же ИСЗ, а затем в качестве дифференциальных поправок с базовой станции передают добавки к измеренным в определяемом пункте координатам. Недостатком этого метода является то, что приемники базового и определяемого пунктов должны работать по одному рабочему созвездию. Это неудобно, поскольку все потребители, использующие дифференциальные поправки должны работать по одним и тем же ИСЗ. В этом случае не обеспечивается наилучшее значение PDOP во всех определяемых пунктах.

Метод коррекции навигационных параметров, при использовании которого на базовой станции определяются поправки к измеряемым параметрам (например, псевдодальностям) для всех спутников, которые потенциально могут быть использованы потребителями. Эти поправки передаются на определяемые пункты, где уже непосредственно в GPS - приемнике вычисляются поправки к координатам. Недостатком этого метода является повышение сложности аппаратуры потребителей.

Метод DGPS может быть использован двояко. Если необходимо вычислять координаты в режиме реального времени, то необходим надежный радиоканал для передачи дифференциальных поправок, а в состав GPS - приемника должен входить радиомодем. Если же передача поправок не выполняется, то можно использовать режим постобработки. В этом случае результаты измерений обоих приемников записываются на устройства памяти приемников (например, магнитные карты), а после прекращения измерений накопленная информация обрабатывается специальным програмным обеспечением и вычисляется точное значение вектора базы.

Передача дифференциальных поправок по радиоканалу может выполняться по выделенным частотным линиям, на частотах любительских радиостанций, по системам спутниковой связи (например, INMARSAT), а также с использованием технологии передачи цифровых данных RDS (Radio Data System) на частотах FM - радиостанций.

Причем иногда даже нет необходимости иметь GPS - приемник на базовой станции, поскольку во многих странах уже действует развитая сеть DGPS - станций, постоянно транслирующих поправки на определенную территорию. Например, в прибрежной зоне Северной Америки, Европы, Австралии и Новой Зеландии развернуты сети радиомаяков для морской DGPS -навигации.

Американская корпорация DCI (Differential Corrections Inc.) распространяет дифференциальные поправки на всю континентальную часть США, используя для ретрансляции радиосигналов спутники связи Galaxy. Подобные сети станций действуют и на территориях многих европейских стран.

Опорная станция включает в себя измерительный датчик GPS с антенной, процессор, приемник и передатчик данных с антенной. Станция, как правило, использует многоканальный приемник GPS, каждый канал которого отслеживает один видимый спутник. Необходимость непрерывного отслеживания каждого КА обусловлена тем, что опорная станция должна "захватывать" навигационные сообщения раньше, чем приемники потребителей. Сравнивая известные координаты (полученные в результате прецизионной геодезической съемки) с измеренными, контрольный GPS-приемник вырабатывает поправки, которые передаются потребителям по радиоканалу в заранее оговоренном формате.

Аппаратура потребителя включает в себя GPS-приемник с антенной, оснащенный процессором и дополнительным радиоприемником с антенной, который и позволяет получать дифференциальные поправки с опорной станции. Поправки, принятые от опорной станции, автоматически вносятся в результаты собственных измерений пользовательских устройств.

Для каждого КА, сигналы которого поступают на GPS-приемник, поправка, полученная от опорной станции, складывается с результатом измерения псевдодальности. Вычисленная поправка дсум определяется в виде дсум = д1 + д2 х (t-дt ), где д1 - поправка псевдодальности, передаваемая в сообщении; д2 - поправка псевдоскорости (скорости изменения поправки), передаваемая в сообщении; t - время измерения приемником потребителя; дt - временная привязка поправки.

Результаты, полученные с помощью дифференциального метода, в значительной степени зависят от расстояния между объектом и опорной станцией. Применение этого метода наиболее эффективно, когда преобладающими являются систематические ошибки, обусловленные внешними (по отношению к приемнику) причинами, что обычно характерно для системы GPS.

Погрешности S/А и "уходы" шкалы времени компенсируются в дифференциальном режиме полностью. Погрешности вследствие задержки сигналов в атмосфере зависят от идентичности условий прохождения сигналов к опорной станции и объекту, а следовательно, от расстояния между ними. Эти погрешности компенсируются полностью лишь при близком расположении опорной станции и объекта. Эфемеридная погрешность также лучше всего компенсируется при небольшом удалении потребителя от опорной станции. По данным причинам опорную станцию рекомендуется располагать не далее 500 км от объекта.

В принятой Международной Морской Организацией (ИМО) в 1983 г. Резолюции А.529(13) содержатся стандарты точности судовождения, которые определяют требования, удовлетворяющие нужды общей навигации. При этом районы плавания для судов, следующих со скоростью до 30 узлов подразделяются на две основные зоны:

- открытое море и прибрежные районы;

- подходы к портам и портовые воды, а также узкости, в которых ограничена свобода маневрирования судов.

В первой зоне точность судовождения должна быть не хуже 4% от расстояния до ближайшей навигационной опасности, с максимумом в 4 мили при наибольшем допустимом интервале времени от момента последней обсервации.

Во второй зоне точность регламентируется принятой в 1995г. Резолюцией ИМО А.815(19) по Всемирной Радионавигационной Системе (ВРНС) и эта точность не должна быть хуже 10 м с вероятностью 95%.

2. Проблема электромагнитной защищенности локальной дифференциальной подсистемы

Требования к навигационным средствам морских судов, которые предъявляются сейчас и к СРНС, вытекают из необходимости обеспечения безопасности и экономичности плавания. Они зависят от районов и этапов судовождения: в открытом море (океане); в прибрежной зоне (на удалении менее 50 миль от берега); в узостях, при входах в порты и гавани; в акваториях портов.

Международные требования к точности и надежности навигационного обеспечения морских судов в зависимости от районов плавания определяются ИМО.

Требования к навигационному обеспечению судоходства при входах в порты, гавани, в узостях и в акваториях портов определяются соответствующими национальными администрациями.

В табл. 1.1 приведены обобщенные требования к навигационному обеспечению морских судов.

Необходимо отметить, что приведенные требования находятся в состоянии перманентных корректировок и уточнений, в основном, в сторону их повышения. Это объясняется постоянно возрастающей ценой навигационных ошибок, особенно в условиях роста тоннажа танкеров, опасности и стоимости последствий возможных экологических катастроф из-за столкновений с препятствиями и посадками на мель.

Таблица 1.1. Требования к точности и надежности определения координат морских судов

Решаемые задачи	Точность (СКО), м	Доступность	Целостность*
Плавание в открытом море (океане)	1400...3700	0,99	0,99
Плавание в прибрежной зоне	100...460	0,99...0,997**	0,99
Прохождение узкостей, заходы в порты	<20	0,99...0,997**	0,99
Маневрирование в портах	8	0,997	0,99
Картография и океанография	0.25...5	0,99	0,9...0,99
Геологоразведка, добыча полезных ископаемых	1...5	0,99	0,9...0,99

* Допустимое время предупреждения находится в пределах от единиц секунд до единиц минут в зависимости от задачи и типа МС.

** Значение 0,997 относится к МС большого тоннажа.

2. Требования к навигационному обеспечению судов речного флота

Для речных потребителей исходными при определении требований к радионавигационным системам являются основные характеристики внутренних водных путей, а именно:

габариты судового хода, его глубина и соотношения главным размерам судов (длина, ширина, осадка).

Требования речных потребителей к доступности РИС зависят от районов плавания и составляют: по Единой глубоководной системе Европейской части России - 0,999; по рекам Сибири - 0,99. Требования речных потребителей к целостности составляют для движения по внутренним водным путям - 0,99.

В табл. 1.2 и 1.3 приведены требования речных потребителей к точности определения места судна в зависимости от решаемых задач и районов плавания для крупногабаритных судов (типа Волга-Дон).

Таблица 1.2. Требования речных потребителей к навигационному обеспечению

Решаемые задачи	Районы плавания	Точность измерения координат, м
Движение судна по внутренним водным путям	1. Озера, водохранилища 2. Свободные реки: европейской части России Сибири каналы	25,0 3,0...5,0 5,0...15,0 3,0...5,0

Таблица 1.3. Обобщенные требования речных потребителей к навигационному обеспечению

Решаемые задачи	Достоверность	Рабочая зона	Точность (СКО), м	Доступность	Целостность
Движение судна по внутренним водным путям	0,99	Региональная: локальная зональная	3...5 5.-.15	0,999 0,99	0,99
Картография	__//__	__//__	0,25...0,5 0,5...3,0	0,99	0,9
Расстановка знаков судоходной обстановки	__//__	__//__	__//__	0,99	0,9
Изыскательская работа по замеру глубин и определению габаритов внутренних водных путей	__//__	__//__	__//__	0,99	0,9
Диспетчерские задачи по управлению	__//__	__//__	__//__	0,99	0,9

Отображаемая на дисплее информация о местоположении судна должна обновляться с интервалом не более 10 с. Однако, если информация о местоположении судна используется для непосредственного управления судном, или в электронных картах судовых электронных картографических систем, то в этих случаях обновление информации должно осуществляться с интервалом не более 2 с.

В Резолюции ИМО А.815(19) определены требования к эксплуатационным характеристикам ВРНС, а также порядок их признания со стороны ИМО. Основными эксплуатационными характеристиками радионавигационных систем, которые используются для их оценки, являются точность, доступность, надежность, дискретность обсервации, целостность и рабочая зона. В этой Резолюции подчеркнуто, что признание ИМО ВРНС будет означать, что она отвечает международным требованиям и способна обеспечить их выполнение.

Приемная аппаратура (ПА) ВРНС в настоящее время не является конвенционной, т.е. обязательной к установке на судах. Проблема выбора и одобрения типа ПА ВРНС будет иметь решающее значение после принятия ИМО решения о включении ПА РНС в качестве обязательного технического средства навигационного обеспечения на судах.

В соответствии с требованиями Международной Конвенции по охране человеческой жизни на море (СОЛАС), совместным решением Департамента морского транспорта Минтранса России (Росморфлот) и Госстандарта России от 22 ноября 1993 г. No 28/2251 "О порядке одобрения типов навигационной и радиосвязной аппаратуры, устанавливаемой на судах морского флота России", была введена обязательная сертификация приемной аппаратуры РНС. Аппаратура проверяется на соответствие Технико-эксплуатационным требованиям (ТЭТ), разработанным на базе Стандартов Международной Электротехнической Комиссии (МЭК).

В настоящее время приняты и действуют следующие Международные Стандарты:

1. МЭК 1075 и Резолюция ИМО А.818(19) для ПА РНС Лоран-С/Чайка

2. МЭК 1135 и Резолюция ИМО А.816(19) для ПА РНС Декка

3. МЭК 1110 для ПА РНС Омега.

4. МЭК 1108-1 и Резолюция ИМО 819.(19) для ПА СНС GPS.

5. МЭК 1108-3 для совмещенной ПА ГЛОНАСС/GPS.

6. Резолюция ИМО MSC.64(67) для дифференциальной приемной аппаратуры GPS/ГЛОНАСС.

Кроме того, Росморфлотом одобрены национальные отраслевые Стандарты:

- № ДМТ-29/53-41 для ПА GPS;

- № ДМТ-29/53-49 для совмещенной ПА GPS/ГЛОНАСС;

- № ДМТ-29/53-51 для дифференциальной ПА GPS/ГЛОНАСС;

Аппаратура, устанавливаемая на судах морского флота РФ должна соответствовать требованиям этих Стандартов.

Диапазон навигационных требований для общего мореплавания изменяется от минимальных, предъявляемых к судовождению малых судов, до более высоких, которые необходимы для навигации больших судов, где необходимо использовать системы, обеспечивающие высокую степень точности, надежности, доступности и целостности.

Кроме того, существует категория потребителей, для которых применение высокоточной системы радионавигации обеспечит получение большого экономического эффекта и быструю окупаемость затрат на ПА РНС.

В настоящее время наиболее полно удовлетворяют требованиям к навигационному обеспечению cудоходства СНС GPS и Глонасс при использовании в штатном и дифференциальном режимах работы. Основными достоинствами этих систем при использовании сигналов стандартной точности в штатном режиме работы являются глобальность рабочей зоны, высокие доступность, точность и надежность при непрерывности навигационных определений, а в дифференциальном режиме - возможность повышения точности и надежности навигационных определений в рабочей зоне дифференциальной подсистемы.

Погрешности определения местоположения СНС Глонасс и GPS при использовании сигналов стандартной точности в штатном режиме не превышают соответственно 40м и 100м, а в дифференциальном режиме - 10м с вероятностью 95%. Более высокие точностные характеристики СНС Глонасс объясняются отсутствием режима селективного доступа (SA-selective availability), который применяется в СНС GPS в штатном режиме для загрубления точности при использовании системы гражданскими потребителями.

Исходя из перспективных возможностей СНС, связанных с совместным использованием систем Глонасс и GPS, а также вводом в эксплуатацию функциональных дополнений СНС, обеспечивающих улучшение основных характеристик СНС за счет реализации дифференциального режима и специальных систем контроля работоспособности СНС и оперативной передачи данных о целостности, Международная Морская Организация в Резолюции А.815(19) определила основные требования морских потребителей к будущей глобальной навигационной спутниковой системе (ГНСС).

Находящиеся в эксплуатации спутниковые навигационные системы Глонасс и GPS в 1996 г. были одобрены ИМО в качестве компонентов Всемирной радионавигационной системы. При одобрении систем Глонасс и GPS ИМО отметила неспособность каждой из них обеспечить в штатном режиме точность, необходимую для безопасной навигации судов на подходах к портам и в других водах, в которых свобода маневрирования ограничена.

Другой отмеченный недостаток этих систем связан с их неспособностью в данное время обеспечивать оперативное оповещение потребителей о нарушениях в работе систем или их элементов, которые происходят пока довольно часто.

Наиболее рациональным путем устранения указанных недостатков и улучшения основных характеристик систем Глонасс и GPS, необходимых для расширения их функциональных возможностей, является применение дифференциального режима работы этих систем, что позволяет добиться повышения точности, надежности и эффективности радионавигационного обеспечения в рабочих зонах дифференциальных подсистем СНС.

Локальные дифференциальные подсистемы СНС должны работать непрерывно и обеспечивать передачу потребителям дифференциальных сообщений в формате, соответствующем стандарту Радиотехнической Комиссии Морской Службы США (RTCM) SC-104. При этом обеспечивается возможность получения надежных навигационных определений в реальном масштабе времени с интервалами не более 5-10 с. Погрешности определения места увеличиваются с увеличением расстояния от опорной станции и старением дифференциальных поправок, но не должны превышать 10 м в рабочей зоне с вероятностью 0,95.

Дифференциальный режим может рассматриваться как наиболее перспективный для обеспечения плавания в условиях ограниченного маневрирования, включая узкости, каналы и подходы к портам.

Важным достоинством реализации дифференциального режима является возможность обеспечения контроля целостности рабочего созвездия спутников, используемого для навигационных определений, и оперативной передачи потребителям информации о целостности.

Суда транспортного, рыбопромыслового, речного флотов, а также суда других ведомств решают с точки зрения навигации аналогичные задачи, поэтому область применения дифференциального режима системы достаточно широка.

Применение СНС в стандартном режиме работы, т.е. при работе по сигналам стандартной точности в штатном режиме, практически удовлетворяет требованиям к навигационному обеспечению судов в части точности, доступности и рабочей зоны при плавании в открытом море.

При использовании их в дифференциальном режиме в рабочей зоне дифференциальной системы удовлетворяются все основные требования к навигационному обеспечению судов на всех этапах плавания.

Точность определения места и времени в дифференциальном режиме СРНС в значительной степени зависит от точности измерений РНП в ККС и аппаратуре потребителя, от расстояния между ККС и потребителем, от возраста поправок, а также от геометрических факторов.

Методы контроля за целостностью

Основными достоинствами навигационных систем GPS и "Глонасс " являются глобальность обслуживания, высокая точность и непрерывность определения координат и скорости движения объекта.

Кроме того, обе системы обладают возможностями повышения точности и надежности навигационных измерений в результате применения дифференциального режима.

Действуя в штатном и дифференциальном режимах, эти навигационные системы полностью удовлетворяют требованиям точности при определении местоположения гражданских потребителей.

Однако в глобальной рабочей зоне существующие системы GPS и "Глонасс ", использующие КА на негеостационарных круговых орбитах, не вполне отвечают требованиям отдельных категорий пользователей.

В первую очередь, это касается авиации, где необходимы информация о целостности систем GPS и "Глонасс " и высокая точность навигационных данных о доступности объекта. Системы с геостационарными КА способны мгновенно оценивать текущее состояние орбитальных группировок GPS/"Глонасс " и своевременно оповещать об этом потребителей. Кроме того, пользовательская аппаратура может быть оснащена устройством для получения дополнительного навигационного сигнала, повышающего точность навигационных параметров.

В настоящее время ведутся работы по улучшению показателей доступности и целостности систем GPS/"Глонасс ", особенно в части повышения достоверности контроля за их работоспособностью и сокращения времени оповещения объекта о целостности системы.

Возможны два варианта контроля за целостностью системы, основанные на внутренних и внешних методах контроля.

Внутренние методы предполагают использование избыточной информации навигационных датчиков потребителя, которую они получают, принимая навигационные сигналы от большего, чем минимально необходимо, числа спутников. С помощью специальных алгоритмов легко обнаружить и/или идентифицировать источник неправильной информации. При обнаружении источника производится полная отбраковка полученных решений навигационных задач; если же спутник, передающий неверные данные, точно идентифицирован, то из расчетов исключаются только те параметры, которые были определены по сигналам этого КА.

Внешние методы основаны на создании сети станций для обеспечения контроля за работоспособностью навигационных спутников в режиме реального времени. В этом случае узел сети - региональный вычислительный центр - осуществляет обработку данных, получаемых от наземных станций слежения, и формирует сообщение о целостности системы.

Процедура внешнего контроля является более сложной, поскольку требует создания наземной сети. Однако такое решение задачи целостности позволяет получить более полную информацию о системе, которой принципиально не может располагать отдельный потребитель при автономном контроле за целостностью. В частности, внешние методы контроля позволяют точно определять координаты КА в орбитальных группировках систем GPS и "Глонасс ", а также точные поправки для синхронизации временных шкал геостационарных КА и спутников GPS/"Глонасс ".

GPS/"Глонасс "-приемники чаще всего применяются, если необходимо получить высокую точность координат (погрешность не более 100 м). Захватив сигнал, навигационный приемник автоматически вычисляет координаты объекта, скорость сигнала и всемирное время и формирует отчет. Сведения о местонахождении объекта передаются по спутниковым каналам связи в диспетчерский пункт.

Контроль целостности СРНС осуществляется посредством самоконтроля бортовых систем НКА, контроля качества излучаемых НКА сигналов, а также передаваемой информации. При этом должна поддерживаться достоверность навигационных определений на требуемом уровне, а потребитель должен своевременно информироваться о возможных нарушениях. Контроль целостности может осуществляться на земле в стационарных условиях и на борту потребителя. Если он осуществляется непосредственно в приемнике на основе данных только СРНС, то имеет место операция "автономного контроля целостности в приемнике" (RAIM). При использовании на борту судна данных других систем может осуществляться бортовой автономный контроль целостности (CAIM). Контроль целостности проводится на основе обработки измерений с использованием специально разрабатываемых алгоритмов, имеющих в своей основе методы статистической теории решений.

Реализация дифференциального режима и внешнего по отношению к потребителю и НКА СРНС контроля целостности осуществляется посредством создания дифференциальных подсистем (ДПС) СРНС.

Условно они подразделяются на широкозонные (ШДПС), региональные (РДПС) и локальные (ЛДПС). Основой ШДПС (WAAS, EGNOS, MSAS) является сеть широкозонных контрольных станций (ШКС), информация от которых передается на широкозонные главные станции для совместной обработки с целью выработки общих поправок и сигналов целостности. Радиус рабочей зоны ШДПС порядка 5000-6000 км. Выработанные на широкозонной главной станции сигналы целостности и корректирующие поправки передаются через наземные станции передачи данных (НСПД) на геостационарный КА (ГКА) типа Инмарсат, Артемис или МСАТ для последующей ретрансляции потребителям. Эти ГКА используются также в качестве дополнительных навигационных точек для дополнительных дальномерных измерений.

Региональные ДПС предназначены для навигационного обеспечения отдельных регионов континента, моря, океана. Диаметр рабочей зоны может составлять от 400-500 до 2000 и более км. РДПС могут иметь в своем составе одну или несколько ККС, а также соответствующие средства передачи корректирующей информации и сигналов целостности. Эта информация вырабатывается на главной станции или ККС.

Локальные ДПС имеют максимальные дальности действия от ККС или передатчика ЛПД до 50-200 км. ЛДПС обычно включают одну ККС (имеются варианты с несколькими ККС), аппаратуру управления и контроля (в том числе, контроля целостности) и средства передачи данных.

Существует ряд признаков классификации разновидностей дифференциального режима

- Такими признаками являются:

- тип основных измерений - фаза кода или фаза несущей частоты сигнала;

- тип коррекции - коррекция ПД и ПС или навигационных параметров, вычисляемых на их основе;

- место коррекции - у потребителя или в каком-нибудь центре;

- средства передачи корректирующей информации.

В соответствии с этими признаками кратко охарактеризуем некоторые наиболее распространенные разновидности дифференциального режима, которые отличаются от основного, описанного в предыдущих разделах.

1. Дифференциальный режим с коррекцией координат

Метод коррекции координат в дифференциальном режиме может использоваться в том случае, если определения координат дифференциальной станцией (ДС) и потребителем осуществляются по одному и тому же созвездию НКА.

Очевидно, что точности основного и чаще всего используемого метода коррекции ПД и ПС и метода коррекции координат практически эквивалентны между собой. Метод коррекции координат требует меньшего объема передаваемой информации: например, по 3 поправки к координатам и к скоростям вместо 16 поправок к псевдодальностям и 16 поправок к псевдоскоростям. Он, видимо, может использоваться потребителем на сравнительно небольших удалениях от дифференциальной станции и в сравнительно небольшие промежутки времени, а также для однотипной приемной аппаратуры дифференциальной станции и определяющегося объекта. При смене созвездия НКА ДС в принудительном порядке должно меняться и созвездие НКА у потребителя.

2. Дифференциальный режим с относительными координатами

Во многих случаях, когда точная геодезическая привязка дифференциальных станций затруднена, дифференциальный режим может быть реализован посредством использования относительных координат.

Также, как и метод коррекции координат, метод использования относительных координат в случае будет эффективен только на сравнительно небольших взаимных удалениях при работе аппаратуры потребителей по одному и тому же созвездию НКА. В передаваемое сообщение должны при этом включаться координаты и скорости подвижного объекта, а также номера НКА используемого созвездия. Возможен однако и вариант, когда в передаваемое сообщение входят псевдодальности и псевдоскорости, и расчет поправки может проводиться или на основе разностей псевдодальностей и псевдоскоростей, или на основе расчета абсолютных координат, осуществленного по одному и тому же созвездию НКА.

3. Дифференциальный режим с использованием псевдоспутников

Одна из разновидностей дифференциального режима создается тогда, когда передаваемые дифференциальной станцией (ДС) сигналы с поправками и другой информацией привязаны к местной шкале времени. Поскольку в результате учета дифференциальных поправок шкала времени потребителя также оказывается привязанной к шкале времени дифференциальной станциии, принятые потребителем сигналы дифференциальной станциии являются источником информации о взаимной дальности и скорости между потребителем и ДС.

В частном случае дифференциальная станциия может излучать сигнал, аналогичный сигналу КА. Тогда она называется псевдоспутником. Сигналы дифференциальной станции могут быть весьма информативными. Вопросам оптимального размещения псевдоспутников для ДПС СРНС посвящена работа. Использование псевдоспутников призвано скорректировать возможно плохие геометрические факторы ГЛОНАСС и GPS, если они появятся.

Данные, полученные в точке с известными координатами, используются для определения ошибок содержащихся в спутниковом сигнале. Затем информация с базовой станции совместно обрабатывается с данными передвижного приёмника, вместе с учётом ошибок содержащихся в спутниковом сигнале, что позволяет устранить ошибки в координатах полученных на передвижном приёмнике. Необходимо знать координаты базовой станции как можно точнее, так как точность получаемая в результате дифференциальной коррекции напрямую зависит от точности координат базовой станции.

Существует два метода выполнения дифференциальной коррекции, в реальном времени и в постобработке:

1. Дифференциальная коррекция в реальном времени

При работе методом дифференциального GPS в реальном времени, базовая станция вычисляет и передаёт (посредством радиосвязи) ошибки для каждого спутника в то время как он собирает данные. Эти коррекции принимаемые передвижным приёмником используются для уточнения определяемого местоположения. В результате мы можем видеть на экране приёмника дифференциально скорректированные координаты.

Это может быть полезно, когда вам необходимо знать где Вы находитесь непосредственно в поле. Эти скорректированные положения могут быть сохранены в файл на накопителе. Поправки передаваемые в реальном времени обычно используют формат в соответствии с рекомендациями RTCM SC-104.

2. Дифференциальная коррекция в постобработке

При работе методом дифференциального GPS в постобработке, базовая станция записывает ошибки для каждого спутника прямо в компьютерный файл. Передвижной приёмник также записывает свои данные в компьютерный файл. После возвращения из поля, два файла обрабатываются вместе с помощью специального программного обеспечения и на выходе получается дифференциально скорректированный файл данных передвижного приёмника.

Одной из замечательных особенностей современных приёмников DGPS, является возможность использования дифференциальной коррекции как в реальном времени, так и в постобработке. Если, во время работы в режиме реального времени, радиосвязь прервётся (например, Вы удалитесь от базовой станции на слишком большое расстояние) то приёмник продолжит записывать нескорректированные данные которые могут быть в дальнейшем обработаны с помощью дифференциальной коррекции в постобработке.

Локальные ДПС СРНС имеют максимальные дальности действия от ККС до 50-200 км. ЛДПС чаще всего включают одну контрольно-корректирующую станцию (ККС), аппаратуру управления и контроля (в том числе, контроля целостности) и средства передачи данных.

К настоящему времени определились три основных класса ЛДПС:

- морские ЛДПС для обеспечения мореплавания в проливных зонах, узостях и акваториях портов и гаваней в соответствии с требованиями ИМО;

- авиационные ЛДПС для обеспечения захода на посадку и посадки ВС по категориям ИКАО;

- ЛДПС для геодезических, землемерных и других специальных работ.

Морские ЛДПС, использующие в качестве средств линий передачи данных (ЛПД) всенаправленные средневолновые радиомаяки (РМ) с дальностью до 200 км, размещены, в частности, в США (практически по всему побережью), по периметру о. Исландия [2], по побережью Италии [3] и в других странах Европы. 12 радиомаяков размещено вдоль побережья Австралии. Отмечается также их размещение в Китае, Индии, Южной Африке, Великобритании, Канаде и в ряде других мест. Отметим, что к середине 1998 г. насчитывалось 187 таких радиомаяков в 28 странах мира.

Предполагается [4], что сеть таких ЛДПС, работающих по системам ГЛОНАСС и GPS, будет охватывать также все побережье России и акватории прилегающих морей. В настоящее время отдельные средства проходят предварительную проверку на Балтике.

Российским институтом радионавигации и времени создана ККС "Зверь-М" для упомянутых выше морских ЛДПС, работающая по ГЛОНАСС и GPS [1]. Аналогичная ККС разработана на Украине НИИ "Квант"(г. Киев) и заводом "Оризон " (г. Смела). Такие ККС рассчитывают по данным приемников сигналов ГЛОНАСС и GPS поправки, преобразуют их в стандартные сообщения (в соответствии со стандартом RTCM SC-104) и подают их на модулятор передатчика-радиомаяка.

Точность (с вероятностью более 0,95) определения координат при совместном использовании ГЛОНАСС и GPS составит от 2 до 4,5 м. Надежность обслуживания и доступность составят соответственно более 0,9997 и 0,998 при времени предупреждения об отказе лучше 10 с.

Современная тенденция развития радиомаячной службы определяется требованиями и рекомендациями ряда международных организаций. Согласно Регламенту радиосвязи, РМ морской радионавигационной службы, которые работают в диапазоне частот 283,5...325кГц, могут передавать дополнительную навигационную информацию, используя узкополосные системы, при условии, что выполнение основных функций РМ не будет ухудшено. Определены следующие технические характеристики средств, обеспечивающих передачу дифференциальных сообщений СРНС ГЛОНАСС и GPS с помощью РМ [1]:

- частотные диапазоны, предназначенные для морской навигации в регионе 1-283,5... 315кГц; в регионах 2 и 3- 285... 325кГц;

- передача сообщений должна осуществляться непрерывно;

- скорость передачи данных в сообщении должна быть в пределах 25...200 бод;

-для передачи данных должна применяться MSK (Minimum Shift Keying) модуляция (манипуляция минимальным фазовым сдвигом), обеспечивающая представление двоичного нуля и единицы соответственно задержкой или опережением фазы на 90 относительно фазы несущего колебания на интервале длительностью 1 бит; занимаемая полоса частот при скорости передачи 200 бод должна составлять не более 236 Гц для 99% мощности и 120 Гц для скорости 100 бод;

- разделение передаваемых несущих частот должно быть кратным 500 Гц для обеспечения минимальной интерференции соседних каналов и совместимости с полосой разделения каналов РМ;

- для повышения надежности работы защитные соотношения параметров полезного и мешающего сигналов должны соответствовать требованиям МАМС, приведенным в табл. 1.4.

Таблица 1.4. Требования МАМС к параметрам полезного и мешающих сигналов

Разделение несущих частот между сигналами опорной станции и помехой, кГц	Требуемое соотношение сигналов опорной станции и помех при работе, дБ
	Ненаправленных морских и аэромаяков	Радиомаяков, транслирующих ДП
0,0	15	15
0,5	-25	-25
1,0	-45	-36
1,5	-50	-42
2,0	-55	-47

Для выполнения своих функций ОС должна иметь геодезическую привязку и оснащаться высокоточной, многоканальной приемной аппаратурой СРНС, обеспечивающей прием сигналов всех наблюдаемых спутников вычислительным комплексом для определения ДП и формирования ДС, модулятором для модуляции радиомаячного сигнала по закону соответствующих ДС, передатчиком для их передачи потребителям и средствами связи с контрольной и управляющей станциями, а также другими объектами.

Контрольная станция контролирует правильность работы всех наблюдаемых спутников системы и ДПС СРНС, а также формировании данных о их состоянии, которые передаются в составе ДС потребителям. А именно, станция предназначена для решения следующих задач:

- непрерывного слежения за всеми «видимыми» НС ГЛОНАСС и GPS с сохранением в памяти компьютера всей полученной приемниками измерительной и другой цифровой информации;

- непрерывного проведения в реальном времени навигационных определений по созвездиям только НС ГЛОНАСС, только НС GPS и НС ГЛОНАСС и GPS;

- анализа составляющих погрешностей навигационных определений;

- контроля качества передаваемых НС навигационных радиосигналов и навигационных сообщений и контроля целостности;

- формирование ДП к навигационным радиосигналам «визируемых» НС и признаков исправности этих НС.

Контрольная станция должна иметь геодезическую привязку и оснащена высокоточной приемной аппаратурой дифференциальных сообщений (ПИДС ДПС), вычислительным комплексом, средствами связи. Приемоиндикатор СРНС и ПИДС ДПС обеспечивают прием сигналов всех наблюдаемых навигационных спутников и ОС ДПС, определение координат в штатном и ДР, выдачу всей необходимой информации в вычислительный комплекс, который контролирует правильность работы СНРС в этих режимах и выработку необходимых данных как о состоянии наблюдаемых спутников, так и ДПС СРНС, для передачи их на опорную и управляющую станции, а также при необходимости, в центр контроля и управления СРНС. Для удобства эксплуатации ОС и КС могут совмещаться. В состав ДСРНС при наличии нескольких ОС и КС входит управляющая станция (УС) для системного контроля и управления. Последняя оснащается вычислительным комплексом и средствами связи с ОС и КС для обмена данными и передач вырабатываемых управляющих сигналов. [1]

В состав ККС входят: антенно-усилительный модуль; четыре 4-канальных ГЛОНАСС/GPS приемных устройства; четыре цифровых сигнальных процессора DSP-25U; компьютер обработки данных IBM PC 486.

Одноплатный сигнальный процессор (СП) DSP-25U выполнен на базе микропроцессора TMS 320 С25. Станция сопряжена с внешним стандартом частоты 5 МГц и подключена к внешнему источнику постоянного тока напряжением 27 В.

Приемное устройство состоит из блоков аналоговой и цифровой обработки сигналов, блока управления каналами, блока стабилизации напряжения и частоты, второго источника питания.

Функционирование ККС предполагается в автономном режиме, для чего предусмотрены телеметрирование приемного устройства в реальном времени и в запись поступающей информации, а также возможна работа под наблюдением оператора.



Рис.1.1. Типовая схема локальной дифференциальной подсистемы на базе радиомаяка

Спирально-полосковая широкополосная антенна позволяет принимать сигналы СРНС GPS ГЛОНАСС в зоне обзора ± 85° относительно вертикали.

Микро ЭВМ (СП) DSP-25U управляется работой приемных устройств; платы DSP-25U вставлены в свободные слоты IBM PC 486. Программное обеспечение (ПО) ККС включает:

- ПО СП DSP-25U, призванное управлять аппаратной частью приемника и цифровой обработкой сигналов;

- ПО управляющего компьютера, предназначенное для управления СП, предварительной обработки и накопления данных измерений и навигационных сообщений НС и формирование ДП;