Учебное пособие Для студентов фаитоп, флэ и зф специализации олр, ортоп вс, ортор вс, профиля лэгвс санкт Петербург 2017 2
 Скачать 6.01 Mb.
|
|
Глава 7 Спутниковые навигационные системы Глобальная навигационная спутниковая система (GNSS) Система GNSS имеет значительные преимущества по сравнению с обычными средствами радионавигации. Она характеризуется более высокой точностью, которая обеспечивается в любом месте земного шара и определяет стандартное всемирное время. В сочетании с другими датчиками на борту воздушного судна, вычислителями воздушных данных, спутниковой связью по линии передачи данных «диспетчер-пилот», автоматическим зависимым наблюдением (ADS) и методами организации воздушного движения (ATM) система GNSS позволяет производить полеты, отвечающие более жестким стандартам на требуемые навигационные характеристики (RNP), и увеличить пропускную способность воздушной транспортной системы, снизив при этом общую стоимость полетов и повысив уровень их безопасности. Система GNSS коренным образом отличается от традиционных средств навигации. Наиболее важной ее особенностью является возможность обеспечения всех этапов полета: от полета по маршруту до точного захода на посадку по категории III, а также наведение при движении на Земле. Это исключает необходимость создания специализированных систем, предназначенных для решения отдельных прикладных задач. Внедрение системы GNSS обеспечивает ряд видимых преимуществ: – повышение безопасности полетов за счет уменьшения риска, связанного с неточностью информации о местоположении, и более точного наведения; – увеличение гибкости и эффективности полетов за счет сокращения полетного времени и экономии топлива; – возможность выполнения полетов по воздушным трассам, на которых невозможно установить наземные средства навигации по географическим причинам или из соображений, связанных с большими материальными затратами. Уже в настоящее время многие государства используют GNSS в качестве дополнительного средства обеспечения полетов по маршруту и неточных заходов на посадку и в качестве основного средства обеспечения полетов по океаническим или проложенным в отдельных районах маршрутам, а также точных заходов на посадку в условиях полета по особой категории I. В настоящее время существует две полностью развернутые и обеспечивающие глобальную навигацию системы: ГЛОНСС и GPS. Глобальные системы навигации GPS и ГЛОНАС разработаны в интересах министерств обороны США и России, а также могут использоваться гражданскими потребителями. Структурно каждая из систем включает в себя три основных сегмента: – космический сегмент; – сегмент управления; – сегмент пользователя. 69 Космический сегмент Структура космических сегментов представлена на рис.48, а их характеристики даны в табл.9. Рисунок 48 – Орбитальная группировка GPS и ГЛОНАСС Таблица 9 – Основные характеристики GPS и ГЛОНАСС Основные характеристики ГЛОНАСС GPS Спутники 24 спутника (8 спутников 3 орбиты) 24 спутника (4 спутника 6 орбит) Высота, км 19 100 20 200 Период 11 час 15 мин 11 час 56 мин Наклон, град. 64,8 55 Срок службы спутника Не менее 5 лет 7,5 лет Радиочастотный сигнал Код C/A и Р Разнос несущих 0,5625 МГц начиная с канала 1 на частоте 1602,5625 МГц 1575,42 МГц (L 1) Ширина полосы частот (1602,5625 – 1615,5) + 0,5 МГц (L 1) 1 Погрешность: - в горизонтальной плоскости - по вертикали - определения скорости - определения времени 15–20 м 30–50 м 15 м/с 1 мкс 10–15 м 20–40 м 2 м/с 340 нс Система координат Параметры Земли 1990 ПЗ-90. Неподвижная, с началом в центре Земли Всемирная геодезическая система 1984 (WGS-84). Неподвижная, с началом в центре Земли 70 Космический сегмент GPS и ГЛОНАСС состоит из 24 спутников, расположенных таким образом, что с любой точки Земли обеспечивается постоянное наблюдение одновременно 5…9 спутников с углом возвышения над горизонтом более 15°. При этом каждый спутник находится в поле наблюдения до 5 часов. В системе GPS спутники равномерно распределены на 6 орбитах, плоскости которых наклонены под углом 55° к плоскости экватора и на каждой орбите находится по 4 спутника. Орбиты разнесены вдоль экватора с интервалом 60°. В системе ГЛОНАСС спутники расположены на трех орбитах, угол наклона которых 64,8°, на каждой орбите находится восемь спутников. Орбиты разнесены вдоль экватора с интервалом 120°. Сегмент управления Сегмент управления GPS состоит из пяти контрольных станций и трех наземных антенн, обслуживающих линию связи «вверх». Для слежения за всеми видимыми спутниками и накопления данных о расстоянии, получаемых по сигналам спутников, на контрольных станциях используются приемники GPS. Информация от контрольных станций обрабатывается на главной станции управления, где определяется состояние эталонов времени (часов) спутников, состояние и характеристики орбит, а также обновляется навигационная информация каждого спутника. Эта информация от главной станции управления через наземные антенны передается на спутники. Сегмент управления ГЛОНАС состоит из главной станции управления, а также контролирующих и загрузочных станций и осуществляет контроль за спутниками, выполняет управляющие функции и определяет навигационные данные, которыми модулируются закодированные спутниковые навигационные сигналы. Данные о результатах измерений, выполненные на контролирующих станциях, обрабатываются на главной станции управления и используются для вычисления навигационных данных, которые передаются на спутники через загрузочные станции. Синхронизация эталонов времени на спутниках обеспечивается главной станцией управления путем передачи параметров коррекции часов. Сегмент пользователей Сегмент пользователей состоит из антенн и приемников-процессоров, которые осуществляют прием сигналов и навигационные расчеты для получения информации о местоположении и точном времени. В июне 1999 года Европейским сообществом принято решение о создании глобальной навигационной спутниковой системы «Galileo». Космический сегмент системы будет состоять из 32 спутников, три из которых являются резервными. Спутники будут располагаться на трех орбитах высотой порядка 23600 км, с наклоном к экватору около 55°. Кроме среднеорбитальных спутников 71 предполагается запустить девять геостационарных спутников. Система разрабатывается в интересах гражданских пользователей, она дополнит GNSS, и будет иметь ряд отличий и преимуществ по сравнению с GPS. Проектируемая точность определения местоположения в горизонтальной плоскости не более 10 м, в вертикальной плоскости не более 4 м (при гарантированной вероятности 95%). С учетом локальных дополнений точность определения местоположения планируется не хуже 0,5 м. Глобальная система навигации в рамках реализации системы CNS/ATM Глобальный аэронавигационный план применительно к системам CNS/ATM определяет Глобальную навигационную спутниковую систему как ключевой элемент систем связи, навигации и наблюдения/организации воздушного движения (CNS/ATM), а также как основу, на которой государства могут предоставлять улучшенное аэронавигационное обслуживание и внедрять процедуры зональной навигации. В системе CNS/АТМ спутниковая навигация имеет следующие составляющие: 1 Спутниковые навигационные приемники, устанавливаемые на борту воздушного судна. 2 Спутниковые системы функционального дополнения наземного и космического базирования. 3 Радиоканалы передачи данных между бортовыми навигационными приемниками и функциональными дополнениями. Использование перечисленных аппаратурных средств позволяет реализовать навигацию на маршруте и посадку воздушного судна. GNSS используется для обеспечения полетов методом зональной навигации на маршруте, при выполнении схем стандартного вылета по приборам (SID), схем стандартного подхода по приборам (STAR), неточного захода на посадку (NPA) и точного захода на посадку. Обобщенно принцип действия ГНСС состоит в том, что спутники передают сигнал времени и сообщения, включающие параметры их орбит (данные эфемерид). Бортовое оборудование ГНСС воздушного судна используют эти сигналы для вычисления своего удаления до каждого из спутников, находящихся в поле зрения, и затем для расчета своего трехмерного местоположения и времени. Стандартное бортовое оборудование GNSS состоит из антенны и процессора, который рассчитывает местоположение, скорость, время, а также, возможно, и другие данные, зависящие от его применения. Для определения трехмерного местоположения и времени необходима информация как минимум от четырех спутников. Точность зависит от точности измерений псевдодальностей от спутников и взаимного расположения (геометрии) используемых спутников. Для того чтобы соответствовать эксплуатационным требованиям на различных этапах полета спутниковые группировки требуют применения 72 дополнительного оборудования в виде бортовой системы функционального дополнения (ABAS), а также спутниковой системы функционального дополнения (SBAS), наземной системы функционального дополнения (GBAS) и наземной региональной системы функционального дополнения (GRAS). ABAS обеспечивает соответствие авиационным требованиям за счет особых приемов обработки данных бортовыми системами или интегрирования бортовых систем. Остальные перечисленные системы функционального дополнения представляют собой наземные станции наблюдения, производящие оценивание сигналов спутников и рассчитывающие корректирующие поправки для того, чтобы повысить точность. SBAS передает эту информацию через геостационарный спутник (GEO), в то время как GBAS и GRAS используют передачу данных по линии передачи данных ОВЧ-диапазона (VDB) от наземной станции GBAS или GRAS соответственно. Система GNSS, являясь глобальной системой, принципиально отличается от обычных навигационных средств. Она позволяет исключить необходимость использования большинства наземных и бортовых систем, которые были разработаны для обеспечения особых требований на определенных этапах полета. Система также обеспечивает точное наведение в удаленных и океанических районах, где экономически нецелесообразно или физически невозможно обеспечить надежное и точное наведение с помощью обычных навигационных средств. Система GNSS может использоваться и для повышения эффективности работы аэродрома посредством понижения минимума захода на посадку без установки на аэродроме дополнительных навигационных средств. Кроме того, она позволяет поддерживать процедуру захода с вертикальным наведением (APV) на все типы взлетно-посадочных полос при соответствующем учете аэродромных стандартов. Принципы функционирования спутниковых навигационных систем В основу определения позиции ВС положен принцип измерения дальностей до навигационных спутников. Если в любой момент времени известны координаты спутников в околоземном пространстве, то могут быть измерены первичные навигационные параметры - дальности до спутников, видимых из точки наблюдения. Измеренная дальность D до одного спутника определяет поверхность положения воздушного судна в виде сферы с радиусом, равным измеренной дальности (рис.49). Дальности до двух спутников определяют две поверхности положения, пересечения которых дает линию положения в виде окружности. Поверхность положения, полученная с помощью третьего спутника, может иметь пересечение с линией положения от первых двух спутников в двух точках. Методом логического исключения можно определить, какая из двух точек является истинной позицией воздушного судна. В бортовой аппаратуре потребителей заложены специальные алгоритмы, позволяющие отличать правильную позицию воздушного судна от ложной. 73 Рисунок 49 – Поверхности положения навигационных искусственных спутников Земли В спутниковых навигационных системах реализуется псевдодальномерный метод определения дальности до спутников, что требует высокоточной синхронизации бортовых и спутниковых эталонов времени. А это требует пеленгования минимум трех-четырех спутников одновременно. Определение координат спутников и дальности до них Высокоточное определение места воздушного судна возможно только при условии точного определения координат спутников на момент измерения дальностей до них. Рабочие орбиты спутников выбираются так, чтобы обеспечивалась высокая точность сохранения их параметров и периода обращения относительно центра Земли. Параметры, определяющие положение спутников на орбитах (эфемериды) определяются и уточняются с помощью наземного командно-измерительного комплекса (КИК). Информация об эфемеридах всех спутников в виде так называемого «альманаха» вводится в память компьютера потребителя. Таким образом, потребители обеспечиваются данными для вычисления координат спутников на любой момент времени. Возникающие изменения в параметрах движения спутников фиксируются на командно-измерительном комплексе и в виде эфемеридных поправок передаваемых на спутник. В сигналах, передаваемых спутником, содержится информация об эфемеридных поправках данного спутника. Данные об эфемеридах, содержащиеся в альманахе, и информация об эфемеридных поправках обеспечивают высокоточное определение координат спутников на борту потребителя. В основу определения дальности от спутника до потребителя положен метод высокоточного измерения времени прохождения радиосигналов от спутника до потребителя. Если в аппаратуре на борту 74 известен момент излучения радиосигнала, то дальность D до спутника может быть определена по формуле: где t – время прохождения радиосигнала от спутника до воздушного судна. Для дальностей порядка D = 20000 км, время прохождения сигнала t = 0,06 с. Поэтому возникает необходимость измерения весьма малых промежутков времени с очень высокой точностью. Аппаратура спутников и бортовых приемников синхронизирована с очень высокой точностью. И на спутниках, и на борту воздушного судна генерируются одинаковые последовательности сложных цифровых кодов. Эти коды генерируются в одни и те же моменты времени, поэтому время прохождения сигнала от спутника до воздушного судна определяется по задержке принятого кода Δt (рис. 50). Рисунок 50 – Псевдослучайные коды, генерируемые в спутниковых навигационных системах Генерируемые коды повторяются каждую микросекунду, т. е. через каждые 10 -6 с. Для высокоточного определения места воздушного судна необходимо чтобы точность синхронизации эталонов времени на спутниках и в бортовой аппаратуре соответствовала точности измерения времени прохождения радиосигнала от спутника до ВС. На спутниках устанавливаются атомные эталоны (их четыре) и, кроме того, они корректируются наземными станциями управления. На борту установлены сравнительно неточные кварцевые часы. Погрешность определения момента времени Δt в бортовом приемнике определяется по специальному алгоритму в процессе вычисления. Если предположить, что время прохождения радиосигнала измеряется точно (погрешность t = 0), то погрешностей в измерения дальностей до пеленгуемых спутников не будет и линии положения будут пересекаться в одной токе (рис. 51). В тех случаях, когда погрешность t ≠ 0, то вычисленные линии положения будут отстоять от истинных на величину C t и образуют некоторую область возможного места воздушного судна. Размеры этой области определяются величиной C t и углами пересечения линий положения. 75 Рисунок 51 – Погрешность определения места воздушного судна Для определения положения воздушного судна в пространстве необходимо одновременное пеленгование четырех спутников. Область возможного положения воздушного судна будет иметь вид тетраэдра. Таким образом, для высокоточного определения места воздушного судна в реальном масштабе времени необходимо сочетание приемника (минимум четырехканального) и быстродействующего компьютера, вычисляющего погрешности бортового эталона времени δt и положение воздушного судна в выбранной системе координат. Бортовое оборудование спутниковой навигации БПСН-2 БПСН-2 производства ЗАО «КБ НАВИС» представляет собой аппаратуру, работающую по сигналам глобальных спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС и GPS в составе комплексов бортового оборудования современных самолётов и вертолетов. Внешний вид аппаратуры представлен на рис.А. Аппаратура БПСН-2 отвечает требованиям квалификационных требований МАК КТ-34-01 к бортовому оборудованию спутниковой навигации подкласса C1, программное обеспечение отвечает требованиям КТ-178А. Рисунок 52 – Аппаратура БПСН-2 76 БПСН-2 обеспечивает: - непрерывное определение навигационных параметров ВС по сигналам ГЛОНАСС и GPS, и с использованием информации, получаемой от комплекса бортового оборудования, наземной системы функционального дополнения (GBAS) через аппаратные средства комплекса бортового оборудования, спутниковых систем функционального дополнения (SBAS). - определение и выдачу навигационных параметров в системе координат WGS-84, ПЗ-90.02, СК-42 с возможностью оперативного выбора системы координат. - контроль целостности выдаваемых параметров. - выдачу потребителям параметров с частотой обновления и выдачи информации по координатам, высоте, скорости, путевому углу истинному и времени не менее 10 Гц. - установку порога сигнализации целостности в соответствии с информацией об этапе полета и информацией, полученной от АПДД, работающей с системой функционального дополнения SBAS, или с посадочной станцией GBAS. Технические характеристики БПСН-2 представлены в табл. 10. Таблица 10 Характеристика Значение Тип принимаемого сигнала ГЛОНАСС в диапазоне L1, CT-код СНС GPS в диапазоне L1, C/A-код Погрешность определения координат с вероятностью 0,95: - горизонтальных координат/высоты - путевой скорости - истинного путевого угла при измерении путевой скорости от 100 до 1200 км/ч GPS 33/70 м, ГЛОНАСС 44/66 м GPS 2,0 м/с, ГЛОНАСС 0,3 м/с GPS от 5° до 30´, ГЛОНАСС от 35´ до 3´ Погрешность определения горизонтальных координат/высоты в режимах «SBAS» и «GBAS» с вероятностью 0,95: - по APV-I - по APV-II - по категории I 16/20 м 16/8 м 16/6 м Инструментальная погрешность по измерению псевдодальностей с вероятностью 0,95 не более 1,5 м Эксплуатационная готовность не менее 0,99975 в течение 5 ч Непрерывность работы не менее (1,0-0,5·10 -4 ) в час и (1,0-2,1·10 -7 ) в любые 15 с Системы координат WGS-84. ПЗ-90.02, СК-42 77 СН-4312 «Оникс» Бортовое оборудование спутниковой навигации для самолетов и вертолетов ГА СН-4312 производства ЗАО «КБ «НАВИС» предназначено для использования в составе комплекса бортового радиоэлектронного оборудования (БРЭО) самолетов и вертолетов ГА и ВТА, а также для автономного использования. Внешний вид аппаратуры представлен на рис. 53. Рисунок 53 – Аппаратура СН-4312 «Оникс» СН-4312 предназначено для модернизации существующих и установки на новые ВС. Структура аппаратуры и выполняемые функции соответствуют требованиям, приведенным в квалификационных требованиях МАК КТ-34-01 для аппаратуры класса A1, B1 и C1, и обеспечивает соответствие ВС требованиям точной зональной навигации P-RNAV. TSS TSS производства ЗАО «ТРАНЗАС» является малогабаритным (78х159х246 мм, масса 2,3 кг) приемником спутниковых сигналов. Внешний вид представлен на рис. 54. Рисунок 54 – Аппаратура TSS 78 Ввод информации и навигация по страницам осуществляется с помощью привычного для лётчиков двухвального задатчика. Прибор имеет высококонтрастный цветной дисплей с диагональю 3,7” и разрешением 640х480 точек. Благодаря высокому разрешению, навигационная информация отображается в текстовом и графическом виде, в том числе на фоне векторной топографической карты. TSS обеспечивает контроль целостности информации принимаемой от спутников (функция RAIM). Реализован адаптивный выбор спутников, используемых для расчета координат (алгоритм FDE), а также прогнозирование доступности информации от спутников при следовании по маршруту движения воздушного судна (алгоритм PRAIM). В приборе реализована возможность приема и обработки информации от сопрягаемого бортового оборудования. Эти функции позволяют использовать систему в качестве «ядра» навигационного комплекса, выдавать сигналы управления на автопилот. TSS обеспечивает приём и выдачу сигналов для бортового оборудования и системы автоматического управления. Такие возможности позволяют использовать TSS как на АН-2, так и на больших современных самолётах и вертолётах. Изделие соответствует требованиям КТ-34-01 по классам A1, B1 и C1; требованиям RNP 1 и RNP 5, а также включает ряд дополнительных функций. Например, планирование маршрутов может осуществляться как по точкам, так и по трассам. Более того, уже сформированные маршруты также могут быть просмотрены в формате Flight Plan. С помощью продуманной системы фильтров можно достаточно просто выбрать необходимую процедуру и включить её в план полёта. TSS может выступать в качестве индикатора системы раннего предупреждения ТТА-12, обеспечивая беспрецедентное качество изображения рельефа в плане или профиле. Функция регистрации полетной информации на съемный накопитель позволяет авиакомпании получить распечатки траектории полета на фоне топографической карты, различных слоев аэронавигационной информации (стандартных процедур, зон ограничения полета и др.). |