ТЕМА: Широкозонные дифференциальные подсистемы (ШДП) СРНС
В настоящее время существует несколько систем широкозонного дифференциального сервиса: WAAS, EGNOS и MSAS.
Зоны покрытия этих систем приведены на рис. 1.
Рис. 1. Зоны покрытия систем WAAS, EGNOS, MSAS.
Рассмотрим данные системы более подробно.
ШДП WAAS
— широкозонная система геостационарного дополнения GPS Федеральной авиационной администрации (ФАА) США, предназначена для обеспечения доступности и точности навигационных данных для всех фаз полета летательных аппаратов (вплоть до захода на посадку) над Северо-Американским континентом и, частично, в Северной Атлантике.
По своим характеристикам WAAS может использоваться и наземными объектами (в том числе и для высокоточной морской и сухопутной навигации, при проведении работ на шельфе и т. д.)
Разработчиком системы первоначально была фирма Wilcox. Затем, вследствие отставания работ от графика, заказ был передан фирме Hughes (с 1996 года).
WAAS включает в себя космический и наземный сегменты оборудования (см. рис. 2).
Рис. 2. Структура ШДП СРНС WAAS.
Космический сегмент включает геостационарные КА (ГКА) GEOS (типа «Инмарсат» или подобные), предназначенные:
· для передачи навигационного GPS-подобного сигнала в диапазоне L1 на частоте 1575,42 МГц, который увеличит доступность, точность и надежность навигационных определений, а также сигналов контроля своей целостности;
· для ретрансляции сформированных на Земле сообщений о целостности КА GPS и ГКА и вектора поправок к эфемеридным данным, шкалам времени и параметрам ионосферной модели.
Наземный сегмент включает:
· широкозонные контрольные станции (ШКС, или WRS — WAAS Reference Station) мониторинга, предназначенные для контроля и наблюдения за состоянием навигационного поля;
· широкозонные главные станции (ШГС, или WMS — WAAS Master Station), предназначенные для обработки данных мониторинга и наблюдений ШКС;
· наземные станции передачи данных (НСПД, или GES — Ground Earth Station) космическому сегменту, которые должны осуществлять связь между ШГС и ГКА.
ШКС, ШГС и НСПД объединяются в сеть посредством линий передачи и обработки данных.
Система WAAS выполняет следующие функции:
1. Сбор данных о состоянии навигационного поля.
2. Определение ионосферных коррекций.
3. Определение и уточнение параметров орбит спутников.
4. Определение коррекций орбит и временных поправок для КА.
5. Контроль целостности КА.
6. Обеспечение независимой верификации (контроля или подтверждения) выходных данных для функций 1-5 перед их использованием потребителями.
7. Обеспечение потребителей корректирующей информацией и дополнительными измерениями псевдодальностей, позволяющими повысить надежность и точность навигационных определений.
8. Обеспечение работоспособности и собственного нормального функционирования.
При сборе данных на ШКС (функция 1) входной информацией являются: наблюдения за сигналами НКА GPS и НКА, наблюдения за состоянием тропосферы, данные о местонахождении приемного оборудования и о калибровках этого оборудования. В результате получаются: измерения ПД по сигналам с С/А-кодом GPS, разностные измерения по сигналам L1/L2 GPS, навигационные данные НКА GPS, измерения ПД по сигналам с С/А-кодом ГКА, навигационные данные ГКА, тропосферные данные, координаты фазовых центров антенн, смещения разностных измерений по сигналам L1/L2, данные для форматирования выходной информации.
При определении ионосферных коррекций на ШГС (функция 2) используются разностные измерения по сигналам L1/L2 GPS, смещения разностных измерений по сигналам L1/L2, координаты фазовых центров антенн, навигационные данные НКА GPS, определение сетки ионосферных данных. В результате на выходе получаются данные, которые передаются на НСПД и далее на ГКЛ для закладки их в GPS-подобный сигнал для формирования соответствующих дифференциальных поправок.
При определении и уточнении параметров орбит НКА и ГКА на ШГС (функция 3) используются: измерения ПД по сигналам с С/А-кодом GPS, разностные измерения по сигналам L1/L2 GPS, навигационные данные НКА GPS, измерения ПД по сигналам с С/А-кодом ГКА, навигационные данные ГКА, тропосферные данные, координаты фазовых центров антенн, смещения разностных измерений по сигналам L1/L2, ионосферные данные для ГКА и данные о планируемых маневрах ГКА и НКА GPS. В результате получаются данные: орбит НКА GPS и ГКА, для эфемеридного сообщения ГКА, альманаха ГКА.
Эти же входные данные используются для определения коррекции параметров орбит и временных поправок к «часам» КА (функция 4). В результате получаются: долгосрочные и краткосрочные коррекции, оценка ошибок этих коррекций с вероятностью 99,9 %, верифицированный фактор ухудшения этой оценки и прогнозируемая СКО определения ПД.
Для контроля целостности сигналов КА и ионосферных коррекций (функция 5) должны использоваться навигационные и ионосферные данные для всех КА, а также соответствующие коррекции и сопутствующие параметры, получаемые при их определении. В результате получаются данные, которые позволяют сигнализировать о том, что тот или иной сигнал или корректирующее сообщение не должны использоваться. Контроль (верификация) всей информации, передаваемой затем потребителю (функция 6), выполняется путем сравнения контролируемых данных с данными независимых наблюдений или посредством их комбинации с данными независимых измерений и сравнения получаемых и ожидаемых результатов.
Для последующего обеспечения потребителей корректирующей информацией на основе верифицированных сведений формируются блоки данных, которые затем будут использоваться в GPS-подобном сигнале ГКА (функция 7).
Обеспечение работоспособности и собственного нормального функционирования системы (функция 8) должно осуществляться автономно без вмешательства человека посредством выполнения следующих подфункций: выполнение операций подсистем и управление сбором данных, наблюдение за состоянием системы и управление системой, обслуживание по состоянию, профилактическое обслуживание.
Особое внимание уделено обеспечению технической и информационной безопасности в соответствии с документом FAA Order 1600.54B. Среднее время передачи сообщения об отказе не должно превышать 5 с (максимальное 8 с).
Основные характеристики WAAS приведены в таблице 1.
Таблица 1. Требуемые характеристики WAAS 
Рабочая зона WAAS представляет собой пространство над поверхностью Земли высотой до 30 км над уровнем моря. При этом на земной поверхности рабочая область ограничивается координатами, сведенными в табл. 2.
Таблица 2. Координаты границ рабочей области.
Требования по точности и целостности должны выполняться во всей зоне ГКА, охватывающей контролируемое воздушное пространство США, когда WAAS в состоянии наблюдать НКА GPS и ГКА.
Требования к точному заходу на посадку приведены в таблице 3.
Таблица 3. Требования к точному заходу на посадку ВС.
Точный заход должен обеспечиваться на высотах до 3000 м в воздушном пространстве 48 континентальных штатов, Гавайских островов, Пуэрто-Рико и Аляски, исключая территорию полуострова Аляска западнее 160°, и вне пределов рабочей области ГКА.
Фазовые центры антенн для приема сигналов GPS и ГКА должны быть привязаны к местным опорным геодезическим знакам с точностью (95 %) 1 и 2 см в плане и по вертикали соответственно.
Все сигналы с кодом С/А должны иметь мощность между –161 и –153 дБВт при углах места от 5 до 90° и температуре 100 К, а все сигналы L1/L2 с кодами Р и P (Y) GPS должны восприниматься без знания Р (У) -кода. Мощность L1 сигнала с кодом P (Y) должна находиться в пределах от –163 до –155 дБВт, L2 сигнала — между –166 и –154 дБВт. При этом сигналы КА при углах места менее 5° не используются.
Требованиями предусмотрены возможности подавления помех. В частности, антенны приемников должны иметь по крайней мере три «нуля» в диаграмме направленности, которые могут направляться на помехи и подавлять их по крайней мере на 30 дБ. При этом скорость перемещения «нуля» при слежении за движением помехи должна быть в диапазоне до 0,3 рад/с. Должны быть предусмотрены также меры временного, в том числе адаптивного, подавления до 30 дБ при времени адаптации 20 мс.
Ряд важных требований к надежности наземного оборудования. Так, каждая подсистема WAAS должна характеризоваться средним временем наработки на отказ 2190 ч. Среднее время восстановления должно быть не более 30 мин, включая исключение отказа, ремонт и проверку. Отказ программного обеспечения системы должен предусматривать время реинициализации каждого компонента не более 10 мин. Минимальный интервал между сеансами профилактического обслуживания должен быть не менее 2190 ч (ежеквартально), которое ограничивается уборкой, проверкой, регулировкой и заменой блоков в соответствии со сроками их службы и состоянием. Общее время перерывов или ухудшения характеристик не должно превышать при этом 8 ч в год на одну подсистему.
Шкала системного времени сети WAAS должна быть привязана к системному времени GPS с точностью не хуже 50 нc. При этом ее показания не должны отличаться от показаний шкалы UTC более, чем на 20 нс. Временная стабильность сигнала ГКА должна быть не хуже 2*Е-13 за 24 ч.
При расчетах приняты следующие характеристики возможных временных отключений КА (табл. 4).
Таблица 4. Временные характеристики отключений КА.
Навигационное сообщение формируется на ГКА со скоростью 500 символов в секунду и добавляется по модулю 2 к 1023-битовому PRN-коду, который затем модулирует несущую. Кратковременная стабильность несущей должна быть не хуже 5*Е-11 за время от 1 до 10 с, включая эффект ионосферы и доплеровский сдвиг.
Передаваемый сигнал имеет круговую поляризацию. Мощность принимаемого сигнала ГКА на линейно поляризованную антенну с усилением 3 дБ, находящуюся на или вблизи поверхности Земли, больше или равна 161 Вт при углах места более 5°.
Основная скорость передачи данных 250 бит/с. При этом используются сверточные коды с исправлением ошибок. Все сообщения имеют блочную структуру. Объем одного блока составляет 250 бит. В нем имеется поле данных объемом 212 бит, идентификатор сообщения из 6 бит, преамбула из 8 бит. Замыкают блок 24 бита кодовой корректирующей группы для контроля четности.
Предусмотрено два типа корректирующих данных: быстрые и медленные. Быстрые коррекции проводятся с целью компенсации быстро меняющихся ошибок, таких как быстрые уходы «часов» НКА, тогда как медленные коррекции предусматриваются для компенсации стабильных уходов «часов» КА и эфемеридных погрешностей.
Предусмотрено 64 типа сообщений (табл. 5).
Таблица 5. Типы сообщений ШДП СРНС WAAS.
Дальнейшее развитие WAAS связано с увеличением числа станций и спутников до 70 ШКС, 6 ШГС и 8 ГКА. Предполагается дальнейшее расширение WAAS на другие районы и континенты. При этом возможны следующие 5 уровней:
1. использование на другой независимой территории (ДНТ) сигналов контроля целостности WAAS без каких-либо дополнительных затрат;
2. на другой независимой территории может размещаться одна ШКС, наблюдения которой передаются на ШГС США или Канады;
3. на ДНТ размещается несколько ШКС, наблюдения которых передаются на ШГС США (Канады);
4. на ДНТ размещается несколько ШКС и одна ШГС, которая передает данные обработки на НСПД США (Канады);
5. на ДНТ размещается несколько ШКС, одна ШГС и одна НСПД, передающая соответствующую информацию на ГКА WAAS.
Считается, что максимально в состав такой расширенной WAAS может входить до 490 ШКС, 42 ШГС, 36 НСПД и 18 ГКА.
На ШКС осуществляются двухчастотные измерения псевдодальностей до КА. Результаты наблюдений передаются на главную станцию, где они обрабатываются с целью определения поправок к параметрам КВО КА и параметрам ионосферной модели.
В настоящее время идут работы по уточнению процедур функционирования WAAS, а также стандартов и требований к ее рабочим характеристикам.
Одновременно проводятся работы по созданию бортовых приемников, работающих в системах GPS и WAAS. При этом RTCA разработан соответствующий стандарт по их минимальным рабочим характеристикам.
В настоящее время функции использования сигналов WAAS внедрены во многих профессиональных, и даже бытовых навигационных приемниках, например Garmin eTex Vista, Magellan Meridian и др.
К настоящему времени создана испытательная основа WAAS — National Satellite Test Bed (NSTB), включающая 29 ШКС с номинальными взаимными удалениями порядка 500–600 км. Проведены испытательные полеты.
В ходе полетов на самолете Learjet 35A с системой управления полетом (FMS) было продемонстрировано выполнение требований к точностным характеристикам захода по категории I (ошибки по боку и высоте не более 7,6 м).
Однако появлялись сообщения о том, что программа создания широкозонной дифференциальной подсистемы WAAS находится под угрозой срыва. Как известно, первоначальной оперативной способности WAAS должна была достичь в 1999 году. Угроза срыва была обусловлена превышением почти вдвое стоимости работ, проводимых фирмой Hughes ($483,5 млн). Превышение стоимости было аргументировано неопределенностью исходных данных на начальном этапе работ и недооценкой трудностей при создании системы, в том числе при создании ее космического сегмента, базирующегося на использовании геостационарных спутников. Не было определено, в частности, будут ли эти спутники собственностью ФАА США, заказчика WAAS, или они будут использоваться системой на правах аренды. В конце октября 1998 года финансирование программы WAAS было приостановлено и его продолжение зависело от решения ряда политических, экономических и технических вопросов (например, от того, действительно ли можно рассчитывать на WAAS, как на «единственное средство навигации»). При этом общая стоимость жизненного цикла системы оценивалась в $2,5 млрд.
Широкозонная дифференциальная подсистема EGNOS
- создается по заказу и под наблюдением так называемой Европейской тройственной группы (European Tripartite Group — ETG), объединяющей представителей Европейского космического агентства, Евроконтроля и Европейского Сообщества.
Европейское космическое агентство, Европейская комиссия и Европейская организация по безопасности воздушной навигации (EUROCONTROL) совместно разрабатывают Европейскую систему функционального дополнения спутниковой навигации EGNOS. Для наземных, морских и воздушных гражданских потребителей систем GPS и ГЛОНАСС этот проект обеспечит улучшение характеристик точности, целостности и доступности. Упомянутые организации работают совместно в рамках Европейской трехсторонней группы. Всего в проекте участвует 11 государств: Австрия, Франция, Германия, Италия, Нидерланды, Норвегия, Португалия, Испания, Швейцария, Великобритания и Канада. Большое значение для реализации проекта EGNOS имеет участие в нем таких лидирующих европейских провайдеров услуг по управлению воздушным движением, как AENA (Испания), ANA (Португалия), DFS (Германия), DGAC (Франция), ENAV (Италия), NATS (Великобритания), Swisscontrol (Швейцария), а также Национального космического агентства Франции (CNES) и Управления картографии Норвегии (NMA).
ETG подписала контракт на использование двух первых навигационных транспондеров для передачи сигналов EGNOS потребителям. Эти транспондеры установлены на двух спутниках INMARSAT-III — IOR с координатами 64,5° в. д. (район Индийского океана) и AOR-E с координатами 15,5° з. д. (восточный район Атлантики). Работая вместе, они обеспечат покрытие не только всей Европы, но и Африки, Южной Америки, а также большей части Азии. Спутник IOR был запущен 3 апреля 1996 года и начал функционировать с 12 мая. Спутник AOR-E запущен в августе 1996 года. Кроме спутников INMARSAT-III в состав орбитального сегмента входит геостационарный спутник Европейского космического агентства ARTEMIS (точка 21,5° в. д.), на борту которого также установлен навигационный транспондер. В зону обслуживания EGNOS войдет большинство европейских государств, Турция, Северное море и восточная часть Атлантического океана. В дальнейшем она может быть расширена на такие регионы, как Африка, Южная Америка, СНГ, Ближний Восток.
Система EGNOS предназначена для выполнения следующих функций:
1. Увеличение числа навигационных спутников за счет использования геостационарных КА, передающих GPS-подобные сигналы. Тем самым увеличивается доступность спутниковой навигации с применением RAIM.
2. Передача информации о целостности. Это увеличит доступность навигационной службы GPS/TJIOHACC/EGNOS до уровня, соответствующего требованиям неточного (грубого) захода летательного аппарата на посадку.
3. Передача корректирующих поправок, что позволит обеспечить точность до уровня, соответствующего требованиям точного захода на посадку.
Система EGNOS будет предоставлять пользователям следующие возможности:
Дальномерный сервис (R-GEO) — передача GPS-подобных навигационных сигналов c трех геостационарных спутников (INMARSAT-III AOR-E, INMARSAT-II IOR и ESA ARTEMIS) для улучшения общей доступности навигационного сервиса. Для определения своих координат по требителю необходимо принять сигналы от четырех спутников. Ни GPS, ни ГЛОНАСС не могут обеспечить постоянного стопроцентного выполнения этого требования в любой точке земного шара. EGNOS поможет восполнить недостаток видимых спутников, что позволит потребителям повысить надежность навигации за счет реализации режима автономного мониторинга целостности в приемнике (RAIM).
Сервис целостности (GIC) — передача оценок дальномерных погрешностей для каждого навигационного сигнала GPS, ГЛОНАСС или EGNOS. При отсутствии этого сервиса EGNOS информация об аномальных характеристиках или отказах GPS и ГЛОНАСС дойдет до потребителя с задержкой более 15 минут. Сервис целостности позволит потребителю принимать решение о недостоверности навигационного сигнала со спутника до возникновения какой-либо критической ситуации.
Широкозонный дифференциальный сервис (WAD) — передача поправок для улучшения точности спутниковой навигации. Для гражданских потребителей сигналы GPS преднамеренно загрубляются для снижения точности в реальном времени примерно с 16 до 100 метров. Данный сервис позволит повысить точность до 5–10 метров.
Система EGNOS включает в себя:
1. Орбитальный сегмент:
два транспондера INMARSAT-III и один транспондер ARTEMIS (координаты соответственно 64,5° в. д., 15,5° з. д. и 21,4° в. д.);
Основу EGNOS составляют геостационарные спутники связи INMARSAT-III (в будущем ARTEMIS), на которых установлен прозрачный ретранслятор навигационных сигналов С/L-диапазона (6,4/1,5 ГГц) с полосой 1575,42 ± 2,2 МГц. Он обеспечит передачу C/A кода, навигационного сообщения и сообщения о целостности созвездия спутников..
Ретранслятор обеспечивает передачу: дальномерного псевдошумового С/А-кода; навигационного сообщения; сообщения о целостности сигналов спутников GPS, ГЛОНАСС и INMARSAT-Ш; вектора корректирующих поправок (три составляющие эфемеридной ошибки, сдвиг шкалы времени КА относительно системной шкалы и уточненные параметры ионосферной модели) для спутников GPS, ГЛОНАСС и INMARSAT-III.
2. Наземный сегмент:
· Сеть станций измерения дальности и мониторинга целостности (RIMS), рассредоточенные в обслуживаемой зоне. Станции будут связаны с главными центрами управления (MCC).
· Главные центры управления, где будут формироваться сигналы EGNOS. (дифференциальные поправки, информация о целостности, ионосферные задержки эфемериды геостационарных спутников).
· Наземные навигационные станции (NLES), предназначенные для закладки информации EGNOS и дальномерного GEO-сигнала на геостационарные спутники (которые затем ретранслируют эту информацию на Землю на частоте L1 GPS с модуляцией и кодированием по образцу GPS-сигнала).
Все компоненты наземного сегмента взаимосвязаны с широкозонной сетью связи EGNOS (EWAN). На этапе начального функционирования EGNOS наземный сегмент будет включать:
· примерно 40 RIMS, распределенных по всей зоне обслуживания;
· 4 MCC: Торрехон (Испания), Гэтвик (Великобритания), Ланген (Германия), Чиампино (Италия);
· 6 NLES: Оссагель (Франция), Гунхилли (Великобритания), Райштинг (Германия), Фучино (Италия), Торрехон (Испания) и Синтра (Португалия), а также дополнительное оборудование, размещенное в Тулузе (Франция) — PACF (пункт оценки эксплуатационных характеристик и проверки системы) и Торрехоне (Испания) — ASQF (пункт квалификации для конкретных задач применения), и DVP (платформа верификации разработок). Дополнительные средства предназначены для обеспечения системных разработок, эксплуатации и квалификации.
3. Сегмент потребителей: стандартные приемники EGNOS.
