CC BY
103УДК 527.8
ОРГАНИЗАЦИЯ И СТРУКТУРА РАДИОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ БЛИЖНЕЙ НАВИГАЦИИ НА ОСНОВЕ ПСЕВДОСПУТНИКОВ*
Ю. Л. Фатеев, В. Н. Ратушняк, А. Б. Гладышев, М. А. Голубятников
Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 E-mail: [email protected]
Рассматриваются особенности организации, структура и вопросы разработки системы ближней навигации на основе псевдоспутников. Приведен вариант построения базовых станций и приемной аппаратуры потребителей, применяемых в наземной системе ближней навигации на основе псевдоспуников.
Ключевые слова: радионавигационная система ближней навигации, псевдоспутник, геометрический фактор, погрешности измерения координат, пространственная ориентация.
THE ORGANIZATION AND STRUCTURE OF RADIO SYSTEM SHORT-RANGE NAVIGATION BASED ON PSEUDO-SATELLITES
Y. L. Fateev, V. N. Ratushniak, A. B. Gladyshev, M. A. Golubyatnikov
Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation E-mail: [email protected]
The article considers features of the organization, structure and questions of development of the system of near navigation on the basis of pseudosatellites. The research demonstrates the effect of adaptive correction frequency characteristics of the receiving channels on the quality of noise suppression. The paper presents a variant of construction of base stations and receiving equipment of consumers used in a ground-based near-navigation system based on pseudo-satellites.
Keywords: adaptive compensators, adaptive corrector of frequency characteristics, noise immunity of GNSS receiver, a noise suppression device.
Основной задачей радионавигационных систем (РНС) является формирование искусственного навигационного поля в заданной области пространства. Эту задачу выполняют базовые станции псевдоспутников (ПС), которые имеют точную геодезическую привязку к местности и излучают навигационные сигналы, известной структуры. Радионавигационные сигналы ПС имеют структуру, аналогичную структуре сигналов ГЛОНАСС. Применение подобных сигналов позволяет потребителю для получения навигационной информации использовать существующий стандартный ГНСС-приемник с небольшой программной модификацией. Конфигурация расположения макетов псевдоспутников, их количество в РНС зависит от рельефа местности и области, где будет осуществляться навигация подвижных объектов. Для осуществления навигационно-временных определений потребителей в зоне навигации необходимо решить задачу создания и распространения однозначной системной шкалы времени РНС.
Основные преимущества разрабатываемых систем ближней навигации на основе ПС можно сформулировать в следующем:
- возможность конфигурировать оптимальное навигационное поле; группировки ПС и минимизировать геометрический фактор;
- формирование сигналов ПС повышенной мощности, что повышает помехоустойчивость системы;
- автономность;
- меньший бюджет погрешностей измерения ко-ординатно-временных определений по сравнению с ГНСС.
Несмотря на все достоинства систем навигации на основе ПС, существует ряд нерешенных проблем [1]:
1. Повышенный уровень сигнала ПС требует расширение динамического диапазона навигационного приемника;
2. Многолучевое распространение навигационного сигнала (переотражение сигнала) ПС - приводит к погрешностям при кодовых и фазовых измерениях навигационных параметров;
3. Не просто реализовать автономную высокоточную синхронизацию шкал времени ПС РНС;
4. При выборе используемых навигационных сигналов необходимо обеспечить электромагнитную совместимость сигналов ПС и сигналов ГНСС.
* Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (Проект № 16-19-10089).
Решетневские чтения. 2017
В настоящее время в Сибирском федеральном университете сотрудниками лаборатории радионавигации осуществляется поиск путей для разрешения этих проблем и разрабатывается проект программно-аппаратного комплекса на платформе аппаратуры фирмы National Instruments под управлением программного обеспечения LabVIEW для исследования и моделирования системы ближней навигации на основе псевдоспутников.
Данный программно-аппаратный комплекс позволяет формировать, анализировать и испытывать на приемной аппаратуре собственные радионавигационные сигналы заданной структуры и с необходимыми параметрами.
Для эффективного исследования создания РНС на основе псевдоспутников использовалась компьютерная модель, которая позволяет:
- проводить вычисления зоны навигации для всевозможных конфигураций расположения ПС, при заданных уровнях мощности каждого ПС с учетом затухания сигналов в тропосфере;
- формировать заданную область навигации, привязанную к топографическим картам при использовании различных форм диаграмм направленности передающих антенн базовых станций;
- вычислять значения геометрического фактора для реализуемых конфигураций расположения ПС.
Для решения задачи навигационного обеспечения потребителей, по аналогии с ГНСС ГЛОНАСС, шкалы времени ПС должны быть синхронизированы, а сигналы всех ПС - когерентны. Поэтому особенностью формирования высокостабильного когерентного навигационного сигнала ПС является синхронизация всех функциональных узлов векторного генератора высокостабильным опорным сигналом от ГНСС-приемника, частотой 10 МГц.
С целью уменьшения погрешности, связанной с многолучевым распространением навигационных сигналов, в условиях сложного рельефа местности целесообразно в качестве передающих антенн использовать направленные антенны с диаграммой направленности специальной формы для создания требуемого навигационного поля. Таким образом, появляется возможность повысить потенциальную точность измерения координат, точность определения пространственного положения потребителей навигационной информации, а также показатели помехоустойчивости потребителей разрабатываемой системы ближней навигации. Исходя из границ динамического диапазона НАП и геометрической зоны навигации объектов, а также возможностей формирования требуемых диаграмм направленностей передатчиков ПС (например, в местности со сложным рельефом Земли) требуется сконфигурировать расположение ПС в РНС ближней навигации таким образом, чтобы зону навигации охватывали все ПС и их результирующая диаграмма направленности перекрывала зону навигации с требуемым уровнем мощности навигационных сигналов от -170 дБВт до - 140 дБВт [2]. Следовательно, при конфигурировании искусственного навигационного поля РРТС на основе «псевдоспутников» распределе-
ние энергетического потенциала радиолиний в зоне навигации потребителей определяется исходя из уменьшения погрешностей измерения радионавигационных параметров сигналов, а также исключения перегрузки приемных трактов потребителей мощными полезными сигналами.
В интересах уменьшения систематической погрешности в приемной аппаратуре потребителей предпочтительно использовать для всех приемных антенн радионавигационных сигналов ГНСС и ПС единый радиотракт [3]. Это не требует прецизионной настройки трактов навигационной аппаратуры потребителей (НАП), а, кроме того, обеспечивается уменьшение различных задержек, рассинхронизации обработки сигналов и аппаратурных затрат. Алгоритмы обработки навигационных сигналов в едином тракте с точки зрения обеспечения идентичности фазовых характеристик трактов, уменьшения трудоемкости регулировок НАП при ее производстве, а также уменьшения аппаратурных затрат, представляются перспективными.
На сегодняшний день оптимальным решением при выборе частоты навигационных сигналов псевдоспутников с кодовым разделением является использование неиспользуемой в СРНС GPS частоты L2 или другого фиксированного частотного диапазона ПС (Fro), которые в итоге при обработке преобразуются на частоту L2 GPS для обеспечения свободы выбора частотного диапазона Fro.
Таким образом, предложенный вариант разработки РНС предоставляет широкие возможности для исследования и моделирования систем ближней навигации на основе псевдоспутников. Данные исследования позволяют оценить на этапах проектирования правильность выбора параметров навигационного сигнала, оптимальность геометрического расположения ПС, эффективность разрабатываемых алгоритмов обработки в приемнике сигналов ПС.
Специальное программное обеспечение позволит автоматизировать процесс измерения точностных характеристик навигационных параметров, исследовать помехоустойчивость разрабатываемой системы ближней навигации.
Библиографические ссылки
1. Проект «Псевдоспутник» [Электронный ресурс]. URL: http: //www.vedapro.ru/files/GPS2.pps (дата обращения: 01.12.2016).
2. Hardware-Software Complex for Studying the Characteristics of GNSS Receiver / D. D. Dmitriev, A. B. Gladishev, V. N. Tyapkin, Yu. L. Fateev // 2016 International Siberian Conference on Control and Communications, SIBCON 2016. - National Research University "Higher School of Economics". M., May 12-14, 2016. Proceedings 7491665.I.S.
3. Использование псевдоспутников ГЛО-НАСС/GPS в системах посадки воздушных судов / В. А. Борсоев, Р. Г. Галеев, А. В. Гребенников, А. С. Кондратьев // Научный вестник МГТУ ГА. 2011. № 164. С. 17-23.
References
1. The project "Рseudosatellites" [Electronic resource]. Available at: http: //www.vedapro.ru/files/ GPS2.pps (accessed: 01.12.2016).
2. Apparatno-programmnyj kompleks dlya izucheniya harakteristik priemnika GNSS. [Hardware-Software Complex for Studying the Characteristics of GNSS Receiver] / D. D. Dmitriev, A. B. Gladishev, V. N. Tyapkin, Yu. L. Fateev // 2016 Mezhdunarodnaya Sibirskaya konferenciya po upravleniyu i svyazi, SIBCON 2016. -Nacional'nyj issledovatel'skij universitet "Vysshaya
shkola ehkonomiki". Moskva. Maj 12-14, 2016. 7491665.I.S.
3. Ispol'zovanie psevdosputnikov GLONASS/GPS v sistemah posadki vozdushnyh sudov. [The use of pseudosatellites GLONASS/GPS systems aircraft landing] / V. A. Borsoi, R. G. Galeev, A. V. Grebennikov, A. S. Kondratiev // Nauchnyj vestnik MGTU GA. 2011. № 164. Р. 17-23.
© Фатеев Ю. Л., Ратушняк В. Н., Гладышев А. Б., Голубятников М. А., 2017
