Transcript 125013, г. Москва, Б. Новодмитровская,14С7 Тел. (495) 781-40-22 e-mail: [email protected] WEB-сайт: www.vedapro.ru Адрес: 121471, г.

125013, г. Москва, Б. Новодмитровская,14С7
Тел. (495) 781-40-22
e-mail: [email protected]
WEB-сайт: www.vedapro.ru
Адрес: 121471, г. Москва, ул. Верейская, 41
Телефон: (095) 780 54 00
Факс: (095) 780 54 26
e-mail: [email protected]
URL: http://www.almaz-antey.ru
Функциональное дополнение
к ГНСС ГЛОНАСС на основе
псевдоспутников для
обеспечения точной посадки
воздушных судов и решения
специальных задач
ООО «ВедаПроект» и
Концерн ПВО «Алмаз-Антей»
Локальная радионавигационная
система
Наземное дополнение к системе ГЛОНАСС на основе
псевдоспутников.
Разработано ООО «ВедаПроект»
совместно с Концерном ПВО «Алмаз-Антей».
Локальная радионавигационная система (ЛРНС)
предназначена
для
обеспечения
высокоточной
навигации в условиях затруднения приема сигналов
ГНСС GPS/ГЛОНАСС вследствие непреднамеренных и
преднамеренных помех, внутри помещений, в условиях
Крайнего Севера и т.п.
Наземное дополнение к GSP/ГЛОНАСС
Сеть наземных псевдоспутников, излучает сигнал, схожий по параметрам с сигналом
GPS/ГЛОНАСС, который может быть принят обычным приемником GPS/ГЛОНАСС, с
минимальным программными модификациями.
Наземное функциональное дополнение позволяет:
• Увеличить точность позиционирования до 5-10 см за счет отсутствия у наземных
станций эфемеридных и ионосферных погрешностей, а также за счет
геометрически оптимального размещения псевдоспутников.
• Увеличить мощность сигнала, за счет чего многократно повысить устойчивость к
РЭБ.
• Обеспечить навигацию внутри помещений.
• Обеспечить возможность работы с «длинными кодами» типа ВТ.
Космическая
группировка
Более мощный сигнал.
Отсутствие эфемеридных и
ионосферных погрешностей
Наземные
псевдоспутники
Приемник
GPS/ГЛОНАСС
Структура система локальной навигации
на основе псевдоспутников
Потребитель
Навигационные
спутники для опциональной
синхронизации системы
Контрольнокорректирующая
станция
Собственный
рубидиевый
генератор
(опционально)
псевдоспутники
LAN
псевдоспутники
LAN
LAN
LAN
LAN
WiFi
WiFi
Структура элементов системы. Передача
на частотах ГЛОНАСС и L2 GPS
Псевдоспутник
Передающая
антенна
Навигационный
приемник
RS-232 к
индикатору
Приемная
антенна
Усилитель
мощности
Подключение
питания УМ
Обычный приемник
GPS/ГЛОНАСС с
небольшими программными
модификациями
Контрольнокорректирующая станция
Приемная антенна
спутниковой
навигационной
системы
(опционально)
Рубидиевый
генератор
частоты
(опционально)
Приемная
антенна
псевдоспутников
Смеситель
Выход
1.2 ГГц и 1.6 ГГц
Навигационный
передатчик
RS-232
начал.
настройка
LAN
управление и
подстройка
Навигационный
приемник
Управляющая
ЭВМ
Гибкие возможности передачи сигналов
на других частотах
Псевдоспутник
Навигационный
приемник
Конвертор
частоты вниз
Приемная
антенна
Выход ПЧ 500 МГц
Выход опорной
частоты 10 МГц
Навигационный
передатчик
Конвертор
частоты вверх
Контрольнокорректирующая станция
Приемная антенна
спутниковой
навигационной
системы
(опционально)
Навигационный
приемник
Приемная
антенна
псевдоспутников
Конвертор
частоты
вниз
Выход
опорной
частоты 10
МГц
Вход на частоте L1
GPS
Выход опорной
частоты 10 МГц
Смеситель
Управляющая
ЭВМ
Гибкие возможности передачи
сигналов на различных частотах
• Передача сигналов в диапазоне L1, L2 ГЛОНАСС
Излучение на литерах 8-12, не используемых в данное время спутниками
ГЛОНАСС.
• Передача сигнала на частоте L2 GPS
Передача навигационных сигналов на военной частоте GPS (L2) с
использованием кодовой модуляции с кодами L1 или собственных кодов.
• Передача сигналов на любой другой частоте с
использованием внешнего конвертора частот
При подключении к системе внешнего конвертора частот (для чего
у системы имеется выход опорного генератора частоты 10 МГц)
имеется возможность излучения на любой другой частоте.
Гибкие возможности СВЧ-тракта
• Антенны для ближней и дальней зоны.
• Антенные коммутаторы.
• Конверторы частот на 2.4ГГц, 5ГГц, 6ГГц.
• Усилители мощности от 1 Вт до 10 Вт.
Преимущества схемы
1. Обратная связь
Обратная связь между псевдоспутником и контрольно-корректирующей
станцией обеспечивает подстройку псевдоспутников и обеспечивает их
мониторинг.
2. Предельно дешевые псевдоспутники
Низкая стоимость обеспечивает возможность установки большого числа
псевдоспутников по всей протяженности захода на посадку воздушных
судов.
3. Независимость от синхронизации с ГНСС
Наличие
собственного
высокоточного
рубидиевого
обеспечивает возможность автономной работы системы.
генератора
Интеграция с приемноизмерительной аппаратурой ЛА
Обмен данными
ARINC-429 (Вход
и выход)
Преобразователь
протоколов
Навигационный.
приемник
К бортовому
вычислителю
Сихронизация
ARINC-743A
RS-232
Антенна
• Передача точных координат и скоростей движения на бортовой
вычислитель ЛА по выходной линии интерфейса ARINC-429.
• Прием команд управления по входной линии интерфейса
ARINC-429.
• Синхронизация протокола ARINC-429 по ARINC-743A.
Интеграция с приемноизмерительной аппаратурой
Планируется, что в ближайшем будущем, прием сигналов
локальных навигационных полей будет возможен на
следующие приемники GPS/ГЛОНАСС, производства:
• Красноярского радиотехнического завода;
• Ижевского радиозавода;
• КБ НАВИС.
Анализ мирового опыта и
перспективы развития
псевдоспутников для
обеспечения точной
навигации
США планируют размещение элементов
локальный навигационной системы на аэростатах
• Разработка компании Raytheon.
• Радиус покрытия навигационным полем 200-500 км.
Псевдоспутники на
аэростатах
Приемник
GPS/ГЛОНАСС
200-500 км
Системы посадки воздушных судов
• Американская версия GBAS (LORAN) в
качестве одной из подсистем включает в
себя аэродромные псевдоспутники (APL).
• По сообщениям открытой печати, в США
планируется к 2020 году обеспечить
возможностями беспилотного ведения
боевых действий ( включая полностью
автоматическую посадку) до 30% боевых
самолетов.
Самолет Х-31 фирм
BOEING/EADS
• На экспериментальном самолете Самолет Х-31
фирм BOEING/EADS по программе «VECTOR» ещё в
2000 году отработана система автоматической
посадки с использованием навигационной системы
на основе псевдоспутников – IBLS (Integrity Beacon
Landing System)
Морские радионавигационные системы
• Морские ЛРНС используют в качестве
средств линий передачи данных (ЛПД)
всенаправленные
средневолновые
радиомаяки (РМ) с дальностью действия
до 200 км. Такие маяки размещены в
США практически по всему побережью,
по периметру о. Исландия, по побережью
Италии и в других странах Европы. РМ
размещены также вдоль побережья
Австралии, имеются также в Китае,
Индии, Южной Африке, Великобритании,
Канаде и в ряде других стран.
• Морские ЛРНС в Норвегии, отдельных
районах
Финляндии,
в
Исландии
включают
псевдоспутники.
В
США
планируется
использование
псевдоспутников для морских ЛРНС.
Внедрение дифференциальной подсистемы ГНСС на
базе радиомаяков для морского и речного транспорта
предусмотрено Федеральной целевой программой
•
Внедрение дифференциальной подсистемы ГНСС на базе радиомаяков
для морского и речного транспорта предусмотрено Федеральной целевой
программой, утвержденной Постановлением Правительства РФ от
15.11.97 г. № 1435. Проведение этих работ определено также Российским
радионавигационным
планом,
проектом
Федеральной
целевой
программы «Мировой океан» и Решением Координационного совета по
использованию системы ГЛОНАСС. Сеть таких ЛФД, работающих по
системам ГЛОНАСС и GPS, будет охватывать также все побережье
России и акватории прилегающих морей.
Аспекты национальной технической политики США в
области функциональных дополнений системы GPS
Начальник Главного штаба ВВС США генерал Нортона Шварц,
20 января 2010 года:
«Повседневная зависимость военных от GPS хорошо известна. GPS
полностью изменила все, что касается ведения боевых действий: от
планирования операций до применения боеприпасов. Поскольку эта наша
зависимость от GPS только возрастает, физики исследовательской
лаборатории ВВС изучают новые многообещающие технологии типа
холодного атома, псевдоспутников, а также инерциальных систем на
основе цифровых карт рельефа местности и лазерных радаров, которые
ведут к созданию сверхточных, менее зависимых от орбитальных GPS
систем. Мне представляется необычайно важным сокращение зависимости
вооруженных сил от орбитальных GPS в пользу достижения еще более
высокой точности и меньшей уязвимости для помех противника».
Аспекты национальной технической политики
США в области функциональных дополнений
системы GPS
Нормативный документ США в области политики развития ГНСС «GPS» «Federal Radionavigation System» (2001 г. ). Приоритетными задачами
названы:
• Обеспечение устойчивости навигационных систем в условиях
подавления ГНСС, в т.ч. – подавления ГНСС средствами РЭБ
противника на театре военных действий.
• Средствами обеспечения устойчивости к подавлению ГНСС
названы локальные дополнения.
• В документе предусматривается развитие аэродромных
псевдоспутников (APL) в качестве подсистемы LAAS.
Аспекты национальной технической политики
США в области функциональных дополнений
системы GPS
8 декабря 2004 года Президент США утвердил новую
национальную политику, которая определяет основные
направления и пути реализации программ создания
систем координатно-временного и навигационного
обеспечения.
«Политика»
предусматривает
необходимость
координатно-временного обеспечения гражданский
потребителей и вооруженных сил США в условиях
подавления сигналов GPS вероятным противником.
Сферы применения
локальных
навигационных систем на
основе псевдоспутников
Общие сферы применение ЛРНС
Дополнение ГНСС в районах, где прием сигналов с них затруднен или
велика получаемая погрешность определения координат.
Известно, что в северных городах
акватории северных морей
(Архангельск, Мурманск и д.р.) системы
навигации GPS работают с
погрешностями более 100 м.
Локальная система навигации
позволяет решить эту проблему.
Обеспечение посадки воздушных судов при
условии подавления спутниковой навигации
• Точность позиционирования до 10 см.
• Высокая мощность передатчиков локальной навигационной
системы существенно затрудняет возможность их подавления.
Навигационное поле в мегаполисе
• Автомобильные навигаторы и
тахиографы (черные ящики):
– Точность определения координат
автомобиля до 10 см.
– Документирование работы
водителя;
– Информация для страховых
компаний;
– Передача информации о пробках.
• Точное положение
сотрудников спецслужб:
– В том числе в метро и внутри
помещений.
Сверхточные навигационные
поля в нефтегазовых
месторождениях на шельфе
• Обеспечение
посадки вертолетов
на нефтяные и
газовые платформы
в сложных
метеоусловиях.
Возможности создания
перспективных ЛРНС
военного и
специального
назначения
Высокоточные минометные выстрелы
Минометный
выстрел с
навигационным
приемником и
передатчиком
Передача
точных
координат
Псевдоспутники
Локальные навигационные поля для
навигации БПЛА и боевых роботов
БПЛА
Псевдоспутники
Роботы
Полноценная СКВО
БПЛА
Вертолеты
Авиация
Локальное
навигационное поле
Пехота
Наземная техника
Боевые роботы
Точные навигационные поля на полях сражений
• Высокая мощность передатчика: сложность подавления
противником.
• Высокая точность (до 2 – 2,5 см).
• Пространственное разделение передающий антенны и
передатчика: уничтожение антенны не уничтожает сам
псевдоспутник.
• Невысокая стоимость псевдоспутника. Возможность
размещения большого их числа: экономически не
целесообразно их уничтожать.
• Мерцающая работа псевдоспутников: противник заранее не
знает, где размещены псевдоспутники.
• Создание псевдоспутниками ложных навигационных полей для
дезориентации противника.
Схемы создания и
развертывания
навигационных полей
Перспективные системы псевдоспутников
быстрого развертывания
Существующие
псевдоспутники
Контрольнокорректирующая
станция
Псевдоспутник
определил свои
координаты
относительно
существующих
псевдоспутников
Установка нового
псевдоспутника в
произвольное
место
Установка
контрольнокорректирующей
станции
Перспективные системы псевдоспутников
быстрого развертывания
Развертывание локального радионавигационного поля на
большие расстояния.
Псевдоспутник
на возд. шаре
Позиционирование
шара относительно
наземной сети
псевдоспутников
Удаленный
потребитель
Наземная сеть
псевдоспутников
Перспективные системы псевдоспутников
быстрого развертывания
Позиционирование воздушного шара с установленным на
борту псевдоспутником по лазерному локатору.
Потребитель
Лазерный
локатор
Результаты
имитационного
моделирования
Методы решения навигационных задач
Основным содержанием навигационной задачи является
определение пространственных координат потребителя,
составляющих вектора его скорости, а также текущего времени.
Основные методы решения навигационных задач:
1) Псевдодальномерный метод: определение положения
потребителя путем прямого измеренния псевдодальностей.
2) Разностно-дальномерный метод: определение положения
потребителя путем измерения разности псевдодальностей до
нескольких источников навигационного сигнала.
3) Радиально-скоростной (доплеровский) метод: определение
положения потребителя путем измерения трех радиальных
скоростей перемещения потребителя относительно трех
источников навигационного сигнала.
Исследование характеристик интегрированной навигационной системы
ГЛОНАСС/ GPS и ЛРНС с псевдоспутниками
по значениям геометрического фактора
Задачи исследования:
- оценка целесообразности использования ГЛОНАСС/ GPS и ЛРНС с ПС
-получение статистических характеристик, описывающих поведение
интегрированного навигационного поля ГЛОНАСС/ GPS/ЛРНС за длительные
интервалы времени, сравнимые с периодом повторяемости конфигурации
навигационного поля СРНС;
-получение оптимальной конфигурации сети ПС в зависимости от размеров зоны
действия и координат аэропорта.
Выводы:
- использование системы псевдоспутников при определениях по системе GPS в
принципе позволит обеспечить посадку ЛА по первой категории метеоминимума,
если один из ПС работает в режиме локальной контрольно-корректирующей
станции.
- улучшение геометрических свойств рабочих созвездий НИСЗ системы GPS
зависит как от числа псевдоспутников и их расположения относительно ЛА,
находящегося в точке принятия решения, в частности, от направления из ЛА на ПС
и от «базы» системы ПС, так и от координат аэропорта. Например, для аэропорта
«Пулково» улучшение вертикального геометрического фактора и, следовательно,
улучшение потенциальной точности измерения высоты, составляет более полутора
раз.
Источники основных погрешностей в
навигационно-временных измерениях
Средняя
Источник погрешности
Причина возникновения
величина
погрешности, м
ошибка в определении
положения и скорости спутника
4.5
нестабильность гетеродинов
1.2
Ионосфера
неоднородность диэлектрической
проницаемости ионосферы
5
Тропосфера
рефракция в тропосфере
7
аппаратная ошибка измерения
псевдодальности в приемнике
0.2
Эфемериды
Часы спутника
Приемник
Результирующая
9.2
Использование псевдоспутников позволяет снизить погрешность определения
псевдодальности до 15-20 сантиметров за счет отсутствия ионосферной ошибки и
уменьшения тропосферной и эфемеридной ошибки.
Использование фазовых измерений позволяет уменьшить погрешность до 5 см.
Расчёт погрешности координат по шести ПС
без использования НКА ГЛОНАСС/GPS
Четыре ПС находятся в углах квадрата и расстояние между ними составляет 8 км. Два
псевдоспутника ПС3 и ПС4 подняты на высоту 20 м и находятся внутри квадрата на расстоянии
4 км друг от друга.
Погрешность измерения в плане в ближней зоне на высоте полета 1500 м составляет 5 см.
Планарная погрешность [м] на высоте 1500 м
Высотная погрешность [м] на высоте 1500 м
Расчёт погрешности координат по шести ПС
без использования НКА ГЛОНАСС/GPS
Четыре ПС находятся в углах квадрата и расстояние между ними составляет 8 км. Два
псевдоспутника ПС3 и ПС4 подняты на высоту 20 м и находятся внутри квадрата на расстоянии
4км друг от друга.
Погрешность измерения в плане в ближней зоне на высоте полета 30 м составляет 0.6-0.8 м.
Планарная погрешность [м] на высоте 30 м
Высотная погрешность [м] на высоте 30 м
Расчёт погрешности определения координат с
использованием НКА ГЛОНАСС/GPS и одного
наземного ПС
Пять НКА находятся на высоте 20000 км, четыре в углах квадрата со стороной 110000 км, а пятый
расположен над ПС в центре квадрата. Результаты моделирования показывают, что даже
добавление одного псевдоспутника дополнительно к аппаратам орбитальной группировки
позволяет значительно (до 10 раз) увеличить точность позиционирования воздушного судна.
Планарная погрешность [м] без использования
ПС
Планарная погрешность [м] с использованием
дополнительного ПС
Анализ угроз
подавления глобальных
навигационных систем
Анализ угроз подавления GPS/ГЛОНАСС
•
Низкий уровень сигнала GPS/ГЛОНАСС (10-16 Вт или – 160 дБ*Вт)
делает возможным подавление в большом радиусе даже маломощным
помеховым излучателем.
•
Устройства подавления GPS/ГЛОНАСС находятся в открытой продаже.
Схемы устройств подавления находятся в сети Интернет.
Источник
помехи
Возможные источники непреднамеренных
искусственных помех
Диапазон частот мешающих сигналов
(номер канала)
(МГц)
Источник мешающих сигналов
Частоты GPS:
1227,6;
1575,42;1176,45
(МГц)
Частоты ГЛОНАСС:
1246-1256,5; 1602-1615,5;
1242,94-1247,75;15981604,25 ( MГц)
1533
Радиолиния
+
–
~ 500
3-я гармоника
+
+
66 и 67 каналы ТВ
2-я гармоника
+
+
22 и 23 каналы ТВ
3-я гармоника
+
+
157 УКВ
10-я гармоника
+
+
131 и 121 УКВ
12-я и 13-я гармоники
+
+
Сигналы запроса дальности РСБН
2-я гармоника
+
+
525 частота кристалла
3-я гармоника
+
–
1575
Немодулированная несущая
+
–
> 1610
GLOBALSTAR
–
+
1240…1243.25
Передача цифровых данных
(пакетное радио)
–
+
1242…1242.7
Любительские радиорелейные
станции
–
+
1243…1260
Любительские ТВ передатчики
–
+
1250…1259
РЛС УВД
–
+
108…118
Помехи в полосах ЛПД ДПС
+
+
Требования к эксплуатационным
характеристикам СРНС
Операция
Точность
(95 %)
Целостность
Непрерывность
Предельное
расстояние
для тревоги
Время
тревоги
Доступность
Полет над
океаном
12,4 мор миль
1-10-7/час
1-10-5/час
4,0 мор. миль
2 мин.
от 0,99
до 0,99999
На маршруте
2,0 мор. миль
1-10-7/час
1-10-5/час
2,0 мор. миль
1 мин.
от 0,99
до 0,99999
Зона
аэропорта
0,4 мор. миль
1-10-7/час
1-10-5/час
1,0 мор. миль
30 с
от 0,99
до 0,99999
NPA
220 м
1-10-7/час
1-10-5/час
0,3 мор. миль
10 с
от 0,99
до 0,99999
APV I
220 м (H)
220 м (V)
1-2∙10-7/заход
1-8∙10-6/15 с
0,3 мор. миль
(H)
50 м (V)
10 с
от 0,99
до 0,99999
APV II
16 м (H)
8 м (V)
1-2∙10-7/заход
1-8∙10-6/час
15 с
40 м (H)
20 м (V)
6с
от 0,99
до 0,99999
Категория I
16 м (H)
4,0-6,0 м (V)
1-2∙10-7/заход
1-8∙10-6/15 с
40 м (H)
10-15 м (V)
6с
от 0,99
до 0,99999
Категория II
6,9 м (H)
2,0 м (V)
1-1∙10-9/заход
15 с
1-4∙10-6/15 с
17,3 м (H)
5,3 м (V)
1с
от 0,99
до 0,99999
Категория III
6,2 м (H)
2,0 м (V)
1-1∙10-9/заход
15 с
1-2∙10-6/30 с (L)
1-2∙10-6/15 с (V)
15,5 м (H)
5,3 м (V)
1с
от 0,99
до 0,99999
Предложения Межгосударственного совета
«Радионавигация»
28 апреля 2004 г.
•
Совет считает необходимым уделить особое внимание решению
проблемы обеспечения гарантированной работы спутниковых средств
навигации в условиях непреднамеренных и организованных помех,
для чего продолжить работы по комплексному использованию
спутниковой информации и данных других радиотехнических
навигационных систем.
•
Совету представляется необходимым создание комплекса мер, среди
которых комплексное использование информации СРНС и
автономного оборудования (инерциальные и другие средства
определения координат). Интегрирование радионавигационных
систем (спутниковых и наземных) является одним из
перспективных направлений развития систем радионавигации.
•
Совет постановил рекомендовать потребителям спутниковой
информации транспортного комплекса РФ обратить внимание на
необходимость усиления внимания к вопросам комплексного
использования спутниковой информации и данных автономных и
других радиотехнических навигационных систем.
Возможности развития
системы псевдоспутников
для обеспечения
помехоустойчивых
навигационных полей
быстрого развертывания
Возможности развития системы псевдоспутников для
обеспечения помехоустойчивых навигационных полей
быстрого развертывания
Для дополнительного повышения устойчивости сигналов псевдоспутника к
внешним помехам могут быть использованы дополнительные методы,
например:
•
•
•
•
Увеличение длины псевдослучайной последовательности.
Динамическое изменение кода.
Скачки по частоте.
Динамическое изменение мощности передатчика в
зависимости от внешних условий.
• Управление лучом передатчика с помощью
коммутируемых антенн или направленных антенн с
механическим сканированием.