CC BY
424
УДК 621.396.932.1
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПСЕВДОСПУТНИКОВ ГРУППИРОВКИ ГЛОНАСС/GPS В СИСТЕМАХ ПОСА ДКИ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ
В.А. БОРСОЕВ, Р.Г. ГАЛЕЕВ, А.В. ГРЕБЕННИКОВ, А.С. КОНДРАТЬЕВ
В статье рассмотрены вопросы использования псевдоспутников - функционального дополнения группировки ГЛОНАСС/GPS для систем посадки на малооборудованные аэродромы.
Ключевые слова: псевдоспутники, системы спутниковой навигации ГЛОНАСС/GPS.
Практическое внедрение технологий, базирующихся на использовании сигналов космических навигационных систем (КНС) ГЛОНАСС и GPS, в системы посадки воздушных судов (ВС), с технической точки зрения, встречает два основных препятствия: недостаточная точность навигационного обеспечения, а также низкая помехоустойчивость навигационного оборудования, работающего по сигналам ГЛОНАСС/GPS [1]. Находящиеся на эксплуатации локальные контрольно-корректирующие станции (ЛККС) не могут обеспечить высокую точность работы систем посадки на малооборудованные аэродромы [2].
Применение на аэродромах псевдоспутников (ПС), сигналы которых обеспечивают выполнение на борту ВС дополнительных навигационных измерений, аналогичных измерениям по сигналам навигационных космических аппаратов (НКА) ГЛОНАСС/GPS, позволяет решить задачу обеспечения требуемой точности навигации за счет существенного улучшения геометрического фактора используемого навигационного суммарного «созвездия» НКА и ПС, а также повысить помехоустойчивость в условиях активного радиопротиводействия.
В статье рассматриваются методы построения системы наземного оборудования системы посадки и бортового оборудования (БО) ВС, а также методы высокоточной взаимной синхронизации системы из нескольких псевдоспутников. Предлагаемая система представляет собой, по существу, локальную систему посадки воздушных судов (ЛСПВС).
В состав наземного оборудования ЛСПВС входят (рис. 1):
- опорная станция дифференциальной коррекции сигналов КНС;
- передатчики ПС, сигнал которых модулирован дальномерным кодом;
- контрольный приемник, обеспечивающий проверку сигнала, излучаемого ПС, по нескольким критериям - мощность сигнала, сдвиг шкалы времени дальномерного кода, структура и содержание передаваемой цифровой информации.
Основные особенности представленного варианта построения наземного сегмента ЛСПВС:
- синхронизация шкал времени (ШВ) ПС непосредственно по выходным дальномерным радиосигналам ПС;
- совмещение функций контроля и синхронизации ПС;
- совмещение приемного устройства, обеспечивающего формирование дифференциальных поправок КНС с приемным устройством синхронизации ШВ ПС;
- управление задержкой дальномерного сигнала и излучаемой мощностью каждого ПС по локальной сети;
- использование в базовой станции высокостабильного опорного генератора (ОГ) для поддержания синхронизации с КНС при временном отсутствии приема сигналов НКА;
- максимальное уменьшение стоимости ПС для «безболезненного» увеличения их числа в ЛСПВС.
Анализ показывает, что для обеспечения разделения излучений сигналов нескольких ПС,
электромагнитной совместимости сигналов ПС с наземным оборудованием системы ЛСПВС, навигационным оборудованием ГЛОНАСС/GPS, работающим в районе действия ЛСПВС, и бортовым оборудованием ВС, а также обеспечения высокой точности измерения
радионавигационных параметров (задержки доплеровского сдвига частоты, фазы и разности фаз сигналов несущей частоты) следует использовать для ПС сигналы, отличающиеся от существующих сигналов КНС. В частности, целесообразно выполнять излучение сигналов ПС на несущей частоте, существенно отличающейся от частот сигналов НКА ГЛОНАСС/GPS, что обеспечит частотное разделение этих сигналов.
Рис. 1. Структурная схема ЛСПВС
Наряду с выбором частотного диапазона сигнала ПС, важным аспектом построения ЛСПВС является выбор размещения антенны для приема сигналов ПС на борту ВС. Можно рассматривать два варианта расположения антенны: в верхней части фюзеляжа ВС и в его нижней части.
«Верхнее» расположение антенны при соответствующем выборе частотного диапазона сигналов ПС принципиально позволяет использовать для приема сигналов ПС ту же антенну, которая обеспечивает прием сигналов НКА КНС, а также выполнять обработку сигналов ПС в тех же трактах аналоговой и цифровой обработки, что используются для обработки сигналов НКА. Разумеется, программное обеспечение, а, вероятнее всего, и аппаратная часть БО должны быть при этом соответствующим образом доработаны. Обработка сигналов НКА и ПС в общем приемном устройстве, помимо некоторой экономии аппаратурных ресурсов, позволяет избежать дополнительной погрешности навигационных определений, обусловленной различием задержки в трактах обработки сигналов НКА и ПС, а также рассинхронизацией шкал времени приемных устройств, обеспечивающих обработку сигналов НКА и ПС. С точки зрения минимальной переработки БО ГНСС данный вариант кажется привлекательным. Выбор несущей частоты и/или псевдослучайной последовательности (ПСП) дальномерного кода сигнала ПС при таком подходе должен обеспечивать надежное разделение сигналов ПС и НКА. При кажущейся простоте реализации вариант взаимодействия ПС с БО ГНСС в частотном диапазоне НКА ГЛОНАСС/GPS на практике сопряжен со значительными трудностями. Одна из основных проблем - большой динамический диапазон сигнала ПС на выходе приемной антенны БО. В связи с тем, что основной лепесток диаграммы направленности (ДН) антенны БО, принимающей сигналы НКА, направлен в верхнюю полусферу пространства, прием сигналов ПС будет осуществляться боковыми лепестками ДН. Уровень боковых лепестков ДН приемной антенны БО, ориентировочно, может быть оценен в минус 20 дБ (даже если не учитывать вероятность полного блокирования приема сигналов ПС за счет их экранирования корпусом ВС). Для качественного приема сигнала ПС, при котором обеспечивается высокоточное измерение псевдодальности и прием контрольно-корректирующей информации, необходимо обеспечить энергетический потенциал радиолинии «ПС-ВС»
Р
£ = -*С > 40 дБГц,
Nо
где РПС - мощность сигнала ПС на выходе приемной антенны БО; N - спектральная плотность мощности шумов, приведенных к выходу приемной антенны БО.
Спектральную плотность мощности шума, приведенного к выходу приемной антенны БО, можно принять равной #0 @ -200 дБВт/ Гц. Следовательно, минимальное значение мощности сигнала ПС на выходе приемной антенны БО РПС > -160 дБВт.
Если ПС располагаются вблизи ВПП, а границу рабочей зоны системы ПС установить на расстоянии 50 км от ВПП, то требуемая для обеспечения заданного энергетического потенциала радиолинии «ПС-ВС» мощность передатчика ПС составит
РППС > РПС + L 50 - К - К >-160 +130 - 3-(- 20)> —13 дБВт »-10 дБВт,
ППС ПС сп50 изл пр V / ’
где Ьсп50 »130 дБ - затухание сигнала ПС в свободном пространстве на трассе «ПС-ВС» (для частоты »1600 МГц); Кизл = 3 дБ - коэффициент усиления излучающей антенны ПС; Кпр = -20 дБ - коэффициент усиления приемной антенны БО ВС в направлении на ПС.
При приближении ВС к ВПП затухание сигнала ПС на трассе будет уменьшаться, кроме того, за счет маневрирования ВС при заходе на посадку возможен прием сигнала ПС основным лепестком ДН приемной антенны БО ГНСС (Кпр » 0 дБ). В такой ситуации, на расстоянии, например 0,5 км, мощность сигнала ПС на выходе приемной антенны БО ГНСС может достигать РПС » РППС -^ 05 + К + К » -10-90 + 3 + 0 » -97 дБВт .
ПС ППС сп0,5 изл пр
Такой уровень мощности сигнала ПС в диапазоне частот НКА будет являться недопустимо большой помехой для приема БО ВС сигналов НКА ГЛОНАСС/GPS (в соответствии с квалификационными требованиями КТ-34-01 «Бортовое оборудование спутниковой навигации» допустимая мощность широкополосной шумоподобной помехи на антенном входе не должна превышать минус 140 дБВт).
Частично решить проблему динамического диапазона сигнала ПС позволяет размещение передатчика ПС на некотором удалении от ВПП («10...20 км) таким образом, чтобы при подлете ВС из дальней зоны к ВПП динамический диапазон сигналов ПС изменялся бы незначительно. Недостатком такого решения является невозможность приема сигнала ПС в непосредственной близости от ВПП на малых высотах, а также затруднения в обслуживании, синхронизации излучений и контролировании ПС, составляющих единую систему.
При использовании для приема сигналов НКА и ПС общей антенны частотный диапазон сигналов ПС должен быть близок к частотному диапазону сигналов НКА (практически, совпадать с ним). Данное обстоятельство, с учетом значительной мощности передатчика ПС, требуемой для обеспечения приема сигнала ПС в дальней зоне, создает серьезные проблемы для наземного оборудования, работающего по сигналам КНС: опорной станции
дифференциальной коррекции, навигационного оборудования аэродромной техники и пр. Фактически, передатчик ПС выступает для этого оборудования как постановщик помехи.
Перечисленные соображения позволяют сделать вывод о нецелесообразности приема на ВС сигналов ПС антенной, предназначенной для приема сигналов НКА (либо отдельной антенной, также расположенной в верхней части фюзеляжа ВС). Более рациональным вариантом является использование на борту ВС дополнительной антенны, располагаемой в нижней части фюзеляжа ВС. Такая антенна обеспечит наилучшие условия для приема сигналов ПС, поступающих на ВС из нижней полусферы пространства. Использование отдельной антенны для приема сигналов ПС не исключает их совместной обработки с сигналами НКА в едином измерительном устройстве. Для реализации такой совместной обработки следует выполнить суммирование сигналов «верхней» и «нижней» антенн перед их подачей на вход приемного устройства.
Использование общего тракта обработки не только позволит уменьшить аппаратурные затраты, но и обеспечит исключение дополнительных погрешностей, вызванных различием задержек и рассинхронизацией обработки сигналов НКА и ПС в различных измерительных трактах.
Рассматриваемый подход позволяет уменьшить (ориентировочно на 20 дБ) мощность излучения ПС, необходимую для обеспечения требуемого энергетического потенциала радиолинии «ПС-ВС» на дальней границе рабочей зоны системы ПС. Прием сигнала ПС основным лепестком ДН приемной антенны ПС БО ГНСС на всем протяжении полета ВС в рабочей зоне системы ПС уменьшает (не менее, чем на 15.20 дБ) динамический диапазон сигнала ПС на выходе приемной антенны ПС. Даже с учетом такого уменьшения динамического диапазона сигналы ПС при суммировании их с сигналами НКА на малых дистанциях между ВС и ПС будут являться недопустимо большими помехами, нарушающими прием сигналов НКА. В связи с этим, в тракте обработки сигналов ПС, принятых «нижней» антенной, должна быть реализована автоматическая регулировка усиления (АРУ), позволяющая ограничить на приемлемом уровне мощность сигналов ПС в точке их суммирования с сигналами НКА, чтобы не создавать помех приему сигналов НКА КНС.
Передача сигналов ПС в том же частотном диапазоне, что и сигналов НКА, может привести к тому, что сигналы ПС, наряду с их приемом «нижней» антенной, будут приниматься также и «верхней» антенной, предназначенной для приема НКА. Наличие такого приема особенно вероятно в ближней зоне (вблизи ВПП), где сигнал ПС наиболее мощный, что вновь приводит к недопустимо большому мешающему влиянию сигналов ПС на прием сигналов НКА. Радикальным решением данной проблемы является излучение сигналов ПС в другом частотном диапазоне, отличном от диапазона частот КНС, что легко реализуется при использовании для приема сигналов ПС отдельной антенны. Значение несущей частоты ПС может в этом случае выбираться исходя из обстоятельств, приминаемых во внимание при создании любой радиотехнической системы: дальность действия, наличие частотного ресурса, электромагнитная совместимость с другим оборудованием в зоне работы ПС. Излучение сигналов ПС в отдельном частотном диапазоне открывает широкие возможности по выбору структуры сигнала ПС, обеспечению одновременной работы большого числа различных ПС, позволяет увеличивать мощность передатчиков ПС без создания помех другому оборудованию.
Структурная схема БО ГНСС, реализующая предлагаемый подход к организации радиолинии «ПС-ВС», представлена на рис. 2.
Рис. 2. Структурная схема БО ВС
Основные особенности построения БО, использующего сигналы ЛСПВС:
- использование для приема сигналов HKA и ПС различных антенн - «верхней» и «нижней»;
- суммирование выходных сигналов «верхней» и «нижней» антенн для обработки в общем модуле навигационного приемника (с возможностью отключения входа суммирования сигналов HKA KHQ;
- реализация в тракте обработки сигнала ПС до суммирования с сигналом HKA функции APy для исключения негативного влияния сигналов ПС на сигналы HKA KHQ
- реализация в тракте обработки сигнала ПС преобразования частоты из частотного диапазона ПС (Бпс) в диапазон частот, обрабатываемый навигационным приемником, например, L2 GPS для обеспечения свободы выбора частотного диапазона Бпс.
№личие в составе ЛСПВС большого числа источников навигационного сигнала - ПС позволяет реализовать при работе по сигналам ПС режим определения пространственной ориентации ВС (углов курса, крена и тангажа, а также угла сноса) с погрешностью в единицы угловых минут. Структурная схема БО ВС с функцией определения пространственной ориентации приведена на рис. З.
Угломерная антенная систем I для приема сигналов НКА в диапазонах L1 и L 2
S н ка (L1 , L 2 )
Антенное устройство приема сигналов ПС
Угломерная антенная система для приема сигналов ПС в диапазоне F пс
S п с (F п с
Модуль преобразования частоты сигналов ПС из диапазона Рпс в диапазон L2 с функцией АРУ (МПЧ-ПС)
3
S п с (L2)
М с ь л у д о я и н а в о р и м м у
си гн а л о в в L -диапазоне
(упра вл я ем ы й )
S сум м (L 1 , L 2 )
Роп - опорная частота для МПЧ (передается по антенном у кабелю )
Модуль НП-101
Аналоговый радиотракт [
ІВЧ-фильтр L1
Т
]
I В Ч -фильтр L2
С м есител ьЬ 1 ^ 1
1-Г
ІС м еситель L2
F гетеродина
Р------------
Синтезатор частот
I ПАВ L1 1 ГЛ О Н А С С ПАВ L1 I G P S 1
S п ч L1 Г S п чL 1
. і
| АЦП АЦП |
I ПАВ 1 ГЛ О Н L2 АСС
S п чL 2
. 1
| АЦП |
S п чL 2 ПС
АЦП
F дискр.
Блок цифровой обработки сигналов
Считы вание инф орм ации, управление и контроль
Вычислительный блок
Рис. 3. Структурная схема БО ВС с функцией определения пространственной ориентации
В представленном варианте в составе БО используется угломерная антенная система, состоящая из нескольких разнесенных в пространстве антенных модулей. Сигналы антенных модулей суммируются в единый сигнал (с использованием кодового разделения сигналов отдельных модулей) для обработки в едином аналоговом тракте и АЦП. Разделение обработки
сигналов отдельных модулей осуществляется при их цифровой обработке. Антенная система, принимающая сигналы ПС, также содержит несколько АМ и обеспечивает определение пространственной ориентации ВС по сигналам ПС.
В схеме применен модуль навигационного приемника НП-101 производства ФГУП «НПП «Радиосвязь» (г. Красноярск), обеспечивающий прием и обработку НКА ГЛОНАСС и GPS в частотных диапазонах L1 и L2. Сигналы ПС для суммирования с сигналами НКА переносятся в частотный диапазон L2 GPS. Такой выбор частотного диапазона для суммирования сигналов является условным, обусловлен особенностями технических средств, используемых для экспериментальной отработки, и может быть скорректирован при дальнейшей проработке.
Выполнение захода на посадку, а также определение пространственной ориентации ВС по сигналам ПС, координаты которых заданы в системе координат, связанной с ВПП, обеспечивает высокоточное определение пространственной ориентации ВС относительно ВПП, размещаемой на подвижном объекте, например, на плавучей платформе или авианесущем корабле (рис. 4).
Рис. 4. Стартовая платформа «Одиссей»
Минимальное число ПС в составе ЛСПВС определяется исходя из требования автономной работы ЛСПВС по обеспечению определения координат и скорости ВС, что требует наличия в составе ЛСПВС как минимум 4 ПС (рис. 5). Для реализации режима определения по сигналам ЛСПВС пространственной ориентации ВС необходимо увеличить минимальное число ПС до 6.
Увеличение числа ПС сверх минимального требуется для обеспечения надежности навигационных определений по сигналам ЛСПВС. Кроме того, увеличение числа ПС в ЛСПВС может потребоваться для обеспечения приемлемых значений геометрического фактора (ГФ), обусловленного взаимным расположением ВС и ПС и оказывающего заметное влияние на погрешность определения навигационных параметров. По результатам математического моделирования, представленным в [3], для получения значений ГФ, обеспечивающих выполнение требований к погрешности определения координат при заходе на посадку на стартовую платформу «Одиссей» без использования сигналов КНС, необходимо разместить на платформе 10 ПС.
Представленный анализ позволяет сделать вывод о перспективности создания локальных дополнений ГНСС - GBAS - в форме систем псевдоспутников, обеспечивающих работу бортового оборудования ГНСС по сигналам НКA ГЛОНAСС/GPS в дифференциальном режиме, а также способных предоставить локальное навигационное поле, позволяющее при автономном использовании (без сигналов КНС) выполнять высокоточное определение координат, скорости и пространственной ориентации ВС с характеристиками точности, целостности, непрерывности и доступности, удовлетворяющими требованиям
инструментального захода на посадку
ЛИТЕРАТУРА
1. Борсоев В.А., Крючков Л.А., Горский Е.Б., Кирамов И.Х. Обеспечение посадочных операций в сложных метеоусловиях на малооборудованных аэродромах и спецплощадках временного базирования: материалы междунар. науч. конф. - Красноярск, 2002.
2. Распоряжение Росавиации от 19.05.06 № AЮ-142-р «О принятии на оснащение наземной локальной контрольно-корректирующей станции комбинированной навигационной спутниковой системы ГЛОНAСС/GPS ЛККС-A-2000».
3. Гребенников А.В., Казанцев М.Ю., Сизасов С.В., Хазагаров Ю.Г. Локальная система посадки воздушных судов на базе псевдоспутников - особенности построения наземного сегмента и бортового оборудования: сб. докладов научно-технической конференции «Радионавигационные технологии в приборостроении». - Туапсе, 2010.
USAGE OF GLONASS/GPS PSEUDOSATELLITES IN AIRCRAFT LANDING SYSTEMS
Borsoev V.A., Galeev R.G., Grebennikov A.V., Kondratyev A.S.
Questions of usage of GLONASS/GPS pseudosatellites for landing systems at unequipped aerodromes are considered in the article.
Key words: pseudosatellites, system satellite navigation GLONASS.
Сведения об авторах
Борсоев Владимир Александрович, 1949 г.р., окончил КИИГA (1976), доктор технических наук, профессор СибГAУ, автор более 140 научных работ, область научных интересов - навигационное обеспечение полетов и управление воздушными судами.
Галеев Ринат Гайсеевич, 1955 г.р., окончил КрПИ (1982), генеральный директор ФГУП «НІ III «Радиосвязь», автор 15 научных работ, область научных интересов - разработка, производство, испытания аппаратуры радиосвязи и радионавигации.
Гребенников Андрей Владимирович, 1966 г.р., окончил КрПИ (1988), кандидат технических наук, доцент кафедры радиоэлектронных систем СФУ, автор 22 научных работ, область научных интересов -разработка, производство, испытания радионавигационной аппаратуры.
Кондратьев Андрей Сергеевич, 1978 г.р., окончил КрГУ (2000), старший преподаватель кафедры радиоэлектронных систем СФУ, автор 9 научных работ, область научных интересов - разработка, производство, испытания радионавигационной аппаратуры.
