Повышение эффективности координатно-временного обеспечения потребителей на основе комплексного использования космических и наземных навигационных систем

УДК 624.396.98.629.7.05

Е. С. НОВОСЕЛОВА

( институт радионавигации и времени», г. Санкт-Петербург)

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ КООРДИНАТНО-ВРЕМЕННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ И НАЗЕМНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ.

В работе представлены назначение, состав и основные характеристики системы синхронизации средств формирования навигационных полей, разработанной в институт радионавигации и времени», а также результаты ее Государственных испытаний.

Введение

За последнее десятилетие роль систем координатно-временного и навигационного обеспечения значительно возросла и стала одним из значимых факторов обеспечения национальной безопасности, экономического роста страны и развития науки и все большее число потребителей нуждаются в высокоточном навигационном и временном обеспечении [1].

К таким потребителям относятся морские и речные суда, транспортные средства, летательные аппараты и другие.

Навигационная и временная информация доставляется потребителям различными средствами, к которым относятся:

- глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) ГЛОНАСС, GPS;

и системы наземного базирования:

- РНС дальней навигации (фазовые радионавигационные системы (ФРНС);

- РНС ближней навигации (импульсно-фазовые радионавигационные системы (ИФРНС);

- системы управления воздушным движением, системы управления движением судов и автоматические системы зависимого наблюдения;

- радиолокационные станции контроля морского, воздушного и космического пространства.

Навигационные системы космического и наземного базирования обладают как преимуществами, так и недостатками. Космические системы имеют глобальную зону покрытия, обеспечивают высокую точность навигационного и временного обеспечения, но обладают относительно низкой помехоустойчивостью, уязвимы и плохо, без информационной поддержки, работают в сложных условиях (гористая и лесистая местность, ущелья, городская застройка, помещения). Наземные системы, с одной стороны, имеют ограниченную зону действия, не столь высокую, как космические навигационные системы, но вместе с тем обладают высокой помехоустойчивостью и способностью обеспечить навигацию в сложных условиях.

Недостатки систем космического и наземного базирования могут быть преодолены созданием комплексированной навигационной аппаратуры потребителей, способной решать навигационно-временную задачу, используя в одном решении сигналы космических и наземных систем[1].

Первым шагом к достижению поставленной цели является обеспечение синхронизации моментов излучения сигналов всех систем космического и наземного базирования.

Для решения этой задачи в период с 2007 по 2011 год в была разработана система синхронизации средств формирования навигационных полей (ССНП).

Система синхронизации средств формирования навигационных полей

Система синхронизации средств формирования навигационных полей решает следующие задачи:

- формирование системной шкалы времени (ШВ) ССНП;

- высокоточную привязку системных шкал времени существующих и перспективных глобальных навигационных спутниковых систем к системной ШВ ССНП;

- высокоточную синхронизацию моментов излучения стационарных и подвижных импульсно-фазовых радионавигационных систем и фазовых радионавигационных систем относительно системной ШВ ССНП.

Для их реализации состав ССНП определен следующим образом:

- центр контроля и управления (ЦКУ) ССНП, включающий аппаратно-программный комплекс, средства отображения информации, средства внешней и внутренней связи;

- сеть пространственно распределенной аппаратуры синхронизации средств формирования радионавигационных полей (РНП), включающая аппаратуру синхронизации передающих станций ИФРНС, аппаратуру синхронизации передающих станций ФРНС и аппаратуру синхронизации контрольных пунктов радионавигационных систем (РНС);

- сеть пространственно распределенной аппаратуры мониторинга синхронизации радионавигационных полей и аппаратуры высокоточного сличения шкал времени;

- подсистема информационного обмена и связи, в том числе, с использованием спутниковых каналов связи.

Входящий в состав ССНП центр контроля и управления обеспечивает:

- формирование системной шкалы времени ССНП;

- привязку системных шкал времени существующих и перспективных ГНСС к системной ШВ ССНП;

- привязку шкал времени аппаратуры синхронизации средств формирования навигационных полей и аппаратуры мониторинга синхронизации радионавигационных полей к системной ШВ;

- оперативное управление режимами работы пространственно распределенной аппаратуры синхронизации средств формирования навигационных полей;

- анализ качества работы составных частей ССНП, формирование и представление информации об их текущем и прогнозируемом состоянии;

- информационно-техническое взаимодействие ССНП с контролируемыми объектами и комплексом средств фундаментального обеспечения КВНО.

В состав ЦКУ входят:

- вторичный эталон единиц времени и частоты;

- аппаратура высокоточного сличения шкал времени (АВС);

- аппаратура мониторинга синхронизации навигационных полей (АМ);

- аппаратура обмена информацией (АОИ);

- информационно-вычислительный комплекс (ИВК).

Эталон ЦКУ обеспечивает формирование рабочей ШВ ЦКУ и выдачу опорных сигналов времени в АВС и АМ.

АВС обеспечивает проведение измерений по сигналам КНС ГЛОНАСС, GPS и GALILEO с целью последующего определения расхождения ШВ передающих пунктов и КП относительно ШВ ЦКУ и расхождения системных ШВ ГНСС.

В АМ осуществляется постоянный прием навигационных сигналов средств передачи и их оперативный контроль.

АОИ обеспечивают информационное взаимодействие ЦКУ с объектами.

ИВК предназначен для автоматизированного сбора, обработки, хранения и использования информации, поступающей от измерительных средств в составе ЦКУ и объектов ССНП, и решения функциональных задач ЦКУ.

В состав ССНП входят следующие аппаратные средства:

- аппаратура синхронизации шкал времени передающих станций ФРНС;

- аппаратура синхронизации шкал времени передающих станций ИФРНС для стационарных и подвижных объектов;

- аппаратура мониторинга синхронизации навигационных полей;

- аппаратура высокоточного сличения шкал времени.

Аппаратура синхронизации шкал времени передающих станций ИФРНС, ФРНС и контрольных пунктов РНС имеет следующие основные характеристики:

- предельная погрешность синхронизации шкалы времени не более 30 нс;

- относительная погрешность опорного генератора по частоте при времени измерения τи = 1 сутки не более ±1∙10-13;

- среднеквадратическая относительная случайная вариация частоты (нестабильность σ) при τи = 1 сутки не более 5∙10-14;

- погрешность привязки моментов излучения сигналов передающих станций ИФРНС к системной ШВ ССНП на любом суточном интервале времени не более 130 нс (с доверительной вероятностью 0,95);

- погрешность привязки моментов излучения сигналов передающих станций ФРНС к системной ШВ ССНП на любом суточном интервале времени не более 400 нс (с доверительной вероятностью 0,95).

Аппаратура мониторинга синхронизации навигационных полей обеспечивает:

- контроль положения системных ШВ существующих и создаваемых ГНСС на любом суточном интервале времени с погрешностью не более (5-10) нс (с доверительной вероятностью 0,95);

- контроль точности синхронизации моментов излучения передающих станций ИФРНС с инструментальной погрешностью не более 40 нс (с доверительной вероятностью 0.95);

- контроль точности синхронизации моментов излучения передающих станций ФРНС с инструментальной погрешностью не более 120 нс (с доверительной вероятностью 0.95).

Аппаратура высокоточного сличения шкал времени обеспечивает:

- определение расхождения ШВ ЭВЧ относительно системных ШВ ГЛОНАСС и GPS со средним квадратическим отклонением (СКО) результатов измерений на интервале измерений 13 мин не более 35 нс по сигналам КА ГЛОНАСC и 20 нс по сигналам КА GPS;

- определение взаимного расхождения ШВ двух разнесенных ЭВЧ по сигналам КА ГЛОНАСС или GPS с СКО результатов измерений на интервале измерений 13 мин не более 5 нс при расстоянии до 100 км и 10 нс при расстоянии до 8000 км;

- синхронизацию выходных сигналов частотой 1 Гц, 1/60 Гц и 1/300 Гц с национальной координированной шкалой времени России UTC(SU) или ШВС ГЛОНАСС c CКО результатов измерений не более 50 нс.

Заключение

В 2011 году система синхронизации средств формирования навигационных полей успешно прошла государственные испытания.

На период проведения испытаний центр контроля и управления был размещен в , аппаратура синхронизации шкал времени передающих станций ФРНС и аппаратура синхронизации шкал времени контрольных пунктов РНС была размещена на объектах РСДН-20, аппаратура синхронизации шкал времени передающих станций ИФРНС располагалась на полигонном комплексе , аппаратура высокоточного сличения шкал времени была размещена на объектах комплекса средств фундаментального обеспечения КВНО и в центре контроля и управления. В качестве каналов связи использовались спутниковые каналы связи, арендуемые у «Рэйс Телеком».

По результатам испытаний было установлено, что ССНП обеспечивает:

1. Высокоточную привязку системных шкал времени существующих и перспективных глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) к системной ШВ ССНП с погрешностью не более 10 нс на любом суточном интервале с доверительной вероятностью 0,95.

2. Высокоточную синхронизацию (привязку) сигналов передающих станций ИФРНС стационарного и мобильного исполнения относительно системной ШВ ССНП с погрешностью не более 130 нс на любом суточном интервале с доверительной вероятностью 0,95

3. Высокоточную синхронизацию (привязку) сигналов передающих станций ФРНС относительно системной ШВ ССНП с погрешностью не более 400 нс на любом суточном интервале с доверительной вероятностью 0,95.

4. Высокоточную привязку шкал времени сети пространственно разнесенной аппаратуры синхронизации с погрешностью не более 10 нс на любом суточном интервале с доверительной вероятностью 0,95.

В перспективе при расширении навигационных систем космического и наземного базирования, используемых в комплексированной навигационной аппаратуре потребителей в состав ССНП должны быть включены аппаратура синхронизации моментов излучения и аппаратура мониторинга сигналов радиомаячных систем, систем управления движения судов и других навигационных систем наземного базирования, что позволит при одновременном решении комплекса других задач обеспечить разнообразных потребителей высокоточной навигационно-временной информацией, в том числе в сложных условиях приема радиосигналов.

ЛИТЕРАТУРА

1.  Прикладное координатно-временное обеспечение: основные тенденции современного развития // - Всероссийская конференция «Фундаментальное и прикладное координатно-временное обеспечение (КВО-2005)». Тезисы докладов. СПб.: ИПА РАН, 2005. С. 27–30.

[1] Научный руководитель к. т.н., начальник НИО-4,