Новости

16.04.2011 00:00

Инновация: ГЛОНАСС. Стратегии развития

Инновация: ГЛОНАСС. Стратегии развития

 

 

Ю.  Урличич, В. Субботин, Г. Ступак, В. Дворкин, А. Поваляев, С. Карутин, Российские космические системы

 

           Российская Глобальная Навигационная Спутниковая Система - ГЛОНАСС вновь приближается к функционированию в полном объеме. По данным на март, 22 спутника находятся в эксплуатации, обеспечивая почти непрерывное глобальное покрытие. Это модернизированные спутники ГЛОНАСС или ГЛОНАСС-М, передающие навигационные сигналы FDMA (множественный доступ с частотным разделением каналов) на частотах L1 и L2.

Структура навигационных сигналов, передаваемая спутниками, определяет точность вычислений псевдодальности, которые в свою очередь, влияют на точность определения местоположения пользователя. Развитие функциональных дополнений так же  остается  приоритетным направлением развития спутниковой навигации в России. В фазу развертывания перешел процесс создания системы дифференциальной коррекции и мониторинга (СДКМ) – российской системы SBAS. При этом вопросы совместимости и взаимодополняемости СДКМ и аналогичных зарубежных систем приобрели особую актуальность. Кроме того, спутниковые каналы передачи информации СДКМ являются универсальным средством доставки потребителям точных эфемерид и оперативно уточняемых частотно-временных параметров, что показывает опыт создания региональных навигационных спутниковых систем, таких как QZSS, и создает основу для развития технологий высокоточного местоопределения.

В данной статье мы обсудим планы по модернизации системы ГЛОНАСС, касающиеся новых сигналов и развития системы функциональных дополнений.

 

 

НАВИГАЦИОННЫЕ РАДИОСИГНАЛЫ

 

Одним из наиболее важных направлений развития системы ГЛОНАСС является расширение множества излучаемых ею навигационных сигналов. Такое расширение будет происходить путем добавления сигналов с кодовым разделением в диапазонах L1, L2, L3. Излучение старых сигналов с частотным разделением будет продолжаться наряду с излучением новых сигналов.

Первым шагом в этом направлении является радиосигнал с кодовым разделением, который будет излучаться спутниками «Глонасс-К» в диапазоне L3 на несущей частоте 1202.025 МГц. Запуск первого спутника серии «Глонасс-К» запланирован на 2011 г. Тактовая частота дальномерного кода равна 10.23 МГц, период кода равен 1 мс. Вид модуляции QPSK(10).  

Схема формирования излучаемого сигнала ГЛОНАСС в диапазонеL3 показана на рис. 2. Множество всех дальномерных кодов состоит из 31-й укороченной последовательности Касами. Полный период этих последовательностей равен 214-1= 16383 символов. Укорочение до длины N=10230 выполняется установкой с периодичностью 1 мс следующих кодов начального состояния (НС) в регистры генераторов (Г): в Г2 код НС=00110100111000, в Г1 код НС=n, в Г3 код НС=n+32. Здесь n – системный номер КА в орбитальной группировке. Дисперсия межканальных помех используемых дальномерных кодов лежит на уровне ~ -40 дБ.

Символы навигационного сообщения (НС) передаются со скоростью 100 бит/с с применением сверточного кодера (СК) с кодовым ограничением 7 и кодовой скоростью ½, т. е.  длительность символов НС 10 мс, кодовых символов 5 мс. Переключатель в СК должен находиться в нижнем положении в первой половине каждого информационного символа.

ПСП-И для информационного радиосигнала L3И до поступления на фазовый манипулятор (ФМ) суммируется «по модулю 2» с двоичными символами (1 и 0) длительностью 1 мс периодического 5-символьного кода Баркера (КБ=00010), который синхронизирован с кодовыми символами (5мс). ПСП-П для пилотного радиосигнала L3П до поступления на ФМ суммируется «по модулю 2» с двоичными символами (1 и 0) длительностью 1 мс периодического 10-символьного кода Неймана-Хоффмана (НХ=0000110101), который синхронизирован с информационными символами ЦИ (10 мс). КБ и НХ необходимы для синхронизации сверточного декодера в приёмнике радиосигнала L3.

Суперкадр навигационного сообщения (2 мин) будет содержать 8 навигационных кадров (НК) для 24-х штатных КА на первом этапе модернизации системы ГЛОНАСС и 10 НК (2,5 мин) для 30-и штатных КА в будущем. Навигационный кадр (15 с) состоит из 5-ти 3-секундных строк. Каждый кадр содержит полный объем эфемеридной информации, относящейся к данному КА, и часть альманаха системы (АС) для трех штатных КА. Полный АС для всех КА, входящих в систему, передается в суперкадре. В начале каждой строки НС передается метка времени и ее оцифровка в виде номера строки внутри текущих суток бортовой шкалы времени.

В моменты плановых коррекций национальной координированной шкалы времени России UTC(SU) на  1 с производится такая же коррекция шкалы времени ГЛОНАСС и бортовых шкал времени всех НКА. Для оповещения об этом потребителей в каждый кадр навигационного сообщения закладывается специальный признак А возможной аномальности последней пятой строки этого кадра. Если А=0, то пятая стока данного кадра будет нормальной, т. е. будет иметь длину 3 с, в противном случае, т. е. при А=1, последняя пятая строка данного кадра будет аномальной, т. е. будет иметь длину 2, либо 4 с. О величине коррекции на +1 или –1 с сообщает специальный признак КР так же входящий в состав НС. В конце суток по шкале UTC(SU), на которых осуществляется коррекция, в радиосигнале L3 последняя пятая строка будет укороченной на 1 с если КР=11, либо удлиненной на 1 с если КР=01. При укорочении на 1 с пятая аномальная строка становится непригодной для использования. При удлинении пятой строки на 1 с, дополнительная секунда заполняется символами «0». Введение в навигационное сообщение признака аномальности последней пятой строки навигационного кадра значительно упрощает осуществление секундных коррекций шкалы времени навигационного приемника.

Помимо диапазона L3 в настоящее время в ГЛОНАСС проводятся интенсивные работы по выбору ансамблей новых сигналов с кодовым разделением в диапазонах L1 и L2. Основными проблемами при этом являются обеспечение очень низкого уровня спектральной плотности мощности излучения -238 дБ•Вт/м2•Гц в радиоастрономической полосе 1610.6…1613.8 МГц, а так же уплотнение более двух компонент сигнала, при котором обеспечивается постоянный уровень амплитуды излучаемого сигнала.

Решение первой проблемы частично достигается подбором видов модуляции с провалом в спектральной плотности мощности в радиоастрономической полосе. На рис. 3 показан пример спектра такого сигнала с модуляцией BOC(5, 2.5), обладающего желаемым провалом.

            Известны два метода уплотнения навигационных сигналов – временной и нелинейный. Временной метод используется для уплотнения информационной и пилот компонент в сигнале L2C GPS. Нелинейный метод используется для уплотнения компонент в сигналах с модуляцией CBOC в диапазоне E1/L1 и модуляцией AltBOC в диапазоне E5a-E5b Galileo. Недостатком нелинейного уплотнения является энергетические потери ~ 10-16% от мощности передатчика на выравнивание амплитуды излучаемого сигнала. Однако нелинейное уплотнение обладает и несомненными достоинствами – более простым построением аппаратуры потребителя и что очень важно – возможностью поэтапной реализации многокомпонентного сигнала. При такой поэтапной реализации сохраняется работоспособность ранее выпущенного парка аппаратуры потребителя. Вновь разрабатываемая аппаратура может обладать способностью принимать ранее излучавшиеся компоненты, новые компоненты сигнала, а так же сигналы, образуемые старыми и новыми компонентами. Это дает дополнительный выигрыш в характеристиках сигнала как это убедительно демонстрирует сигнал с модуляцией AltBOC.. На рис. 4 показаны векторные и фазовые диаграммы при уплотнении соответственно двух, четырех и шести компонент. Потери на выравнивание амплитуды суммарного излучаемого сигнала не превышают ~ 16% даже при уплотнении 6 компонент. Полное исключение потерь возможно при использовании временного уплотнения, поэтому окончательное решение о построении системы радиосигналов ГЛОНАСС еще не принято.

 

Были проведены исследования по поиску ансамбля кодовых последовательностей, обеспечивающих наименьший уровень дисперсии межканальных помех. Выявлено, что уровень этих помех при произвольных временных сдвигах и смещениях по частоте практически не зависит от типа кодовой последовательности и определяется количеством символов N на ее периоде. Для иллюстрации на рис. 5 и 6 показаны гистограммы лепестков взамнокорреляционных функций кодов Касами длины 4095 и кодов Вейла длины 10230. Для сравнения на этих же рисунках приведены гистограммы лепестков взаимнокоррелляционных функций случайных кодов той же длительности. Из рисунков видим, что гистограммы указанных и случайных кодов практически совпадают. Вариации дисперсии уровней боковых лепестков обычно не превышают 0.1 дБ.

            Полученные результаты позволяют сделать вывод о инвариантности статистических характеристик межканальных помех к структуре дальномерного ансамбля выбранной длины N. Поэтому в основу выбора ансамбля двоичных кодовых последовательн6остей можно положить, например, простоту способа генерации этого ансамбля.

 

РАЗВИТИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ДОПОЛНЕНИЙ

 

Работы по созданию СДКМ ведутся в России с 2002 г. К настоящему времени завершены разработки основных элементов системы - комплекса сбора измерений, включающего станции сбора измерений на территории Российской Федерации и за рубежом, центра СДКМ и комплекса доставки информации потребителям.

Наземные станции. СДКМ использует 14 станций мониторинга в России и две в Антарктике на базе российских научно-исследовательских станций Беллинсгаузен и Новолазаревская. Еще около восьми станций планируется разместить на территории Российской Федерации и около семи за ее пределами. Дополнительные станции за пределами РФ могут быть размещены в Латинской Америке и в Азиатско-Тихоокеанском регионе.

Центр обработки. Сырые измерения (измерения псевдодальности и несущей частоты ГЛОНАСС и GPS L1 и L2) от наземных станций приходят в центральный пункт обработки информации СДКМ (SDCM CPF). Центральный пункт обработки (CPF) подсчитывает точные спутниковые эфемериды и часы, контролирует параметры целостности, и создает сообщения SBAS. Формат этих сообщений соответствует международным стандартам, который также используется Широкозонной Системой Функциональных дополнений (WAAS), Европейской геостационарной навигационной системой функциональных дополнений (EGNOS), и Японской спутниковой системой функциональных дополнений (MTSAT) (MSAS).

Формат ограничений. Первичная измерительная информация (отсчеты фазы кода и фазы псевдодополеровкой частоты гражданских сигналов в диапазонах L1 и L2 ГЛОНАСС и GPS) поступает в центр СДКМ, где обрабатывается с целью уточнения эфемеридно-временной информации (ЭВИ), определения параметров целостности навигационно-временного поля и формирования сообщения для потребителя в формате SBAS (DO-229C). Необходимо отметить, что существующий формат SBAS предоставляет очень ограниченные возможности для передачи информации СДКМ, поскольку позволяет передавать данные лишь для 51 навигационных космических аппаратов (что меньше, чем существующий состав орбитальных группировок ГЛОНАСС и GPS вместе взятых). В связи с этим параллельно с созданием СДКМ ведутся работы по повышению эффективности передачи данных и разрешению данного противоречия. В качестве основных вариантов рассматриваются три: использование динамической маски при передачи корректирующей информации и данных о целостности, использование двух радиосигналов с кодовым разделением каналов на одном космическом аппарате и расширение состава сообщений формата SBAS с тем, чтобы обеспечить передачу широкозонной информации по произвольному количеству навигационных космических аппаратов.

В первом случае СДКМ будет передавать данные для обеспечения целостности и повышения точности навигационных определений по всем космическим аппаратам ГЛОНАСС и всем видимым с территории Российской Федерации навигационным космическим аппаратам других систем.

При реализации второго варианта, с борта космических аппаратов СДКМ будут излучаться два радиосигнала с кодовым разделением каналов на общей частоте, при этом информация по системам ГЛОНАСС и GPS будут передаваться независимо, каждая в своем сигнале.

Третий вариант предполагает включение в состав цифровой информации радиосигналов космических аппаратов систем SBAS дополнительных пакетов которые содержат информацию о навигационных космических аппаратах, которые не вошли в состав основных 52.

Необходимо отметить, что реализация первого варианта допускается существующим описанием стандарта SBAS, два других варианта требуют внесения соответствующих дополнений, что с учетом международной координации требует значительного времени. Тем не менее, аппаратно-программные средства центра СДКМ позволяют реализовать любой из указанных вариантов.

На борту КА «Луч-5А» и КА «Луч-5Б» будут установлены широкополосные (полоса 22 МГц)  бортовые ретрансляторы (БРТР), которые позволят передавать потребителям радиосигналы на частоте 1575,42 МГц. В связи с тем, что основной зоной обслуживания СДКМ является территория Российской Федерации, точка прицеливания антенной системой каждого КА направлена на север под углом 7° относительно направления на экватор. Мощность излучения БРТР составляет 60 Вт, что позволяет обеспечить на поверхности Земли уровень сигнала равный уровням сигнала НКА ГЛОНАСС и GPS (-158 дБВт).

Главным достоинством систем SBAS является наличие универсального широкозонного космического канала доставки информации потребителям. СДКМ не является в этом смысле исключением - основу орбитальной группировки СДКМ составляют космические аппараты (КА) многофункциональная космическая система ретрансляции (МКСР) «Луч», размещаемые на геостационарной орбите (рис. 7). Первый КА «Луч-5А» займет точку 16° з.д. в 2010 году, через год КА «Луч-5Б» дополнит группировку, будучи запущенным в точку 95 ° в.д. Полная группировка будет развернута к 2014 году с запуском КА «Луч-4» в 2014 г. в точке 167° в.д.

 

Одновременно с созданием космических каналов доставки информации СДКМ запущен в опытную эксплуатацию сайт СДКМ (www.sdcm.ru), который позволяет получать потребителям информацию об оперативном и апостериорном мониторинге состояния навигационно-временных полей ГЛОНАСС и GPS (рис. 8), а также идут испытания системы передачи информации СДКМ по наземным каналам связи.  Это позволит отработать, проверить и подтвердить характеристики формируемой СДКМ информации не дожидаясь запуска КА МКСР «Луч». В качестве стандарта передачи выбран формат SiSNet, который позволяет в реальном масштабе времени передавать данные СДКМ в формате SBAS через Интернет.

В ходе отработки применения информации СДКМ в реальной навигационной аппаратуре потребителя получены первые положительные результаты. На рис. 9 приведены результаты обработки навигационного сеанса длительностью 130 часов с использованием информации СДКМ и без нее, которые показывают, что использование уточненной эфемеридно-временной информации, формируемой СДКМ, позволяет уменьшить почти в 2 раза погрешность абсолютных навигационных определений.

         Вместе с тем, развитие технологий высокоточного местоопределения (PPP), основанных на использовании высокоточной эфемеридно-временной информации, позволяет решать большой круг задач [Collins, Booth] без создания сложной наземной инфраструктуры, включающей сети наземных базовых станций и беспроводные каналы передачи данных на базе операторов сотовой связи.

Исследования последних лет [Píriz, Li] оказывают, что использование измерений навигационных радиосигналов и точных данных о движении и параметрах бортовых шкал времени НКА ГЛОНАСС и GPS позволяет осуществлять абсолютные навигационные определения с погрешностью в несколько дм. При этом наиболее оперативным средством доставки подобной информации являются КА, находящиеся в течение длительного времени над зоной обслуживания. К таким аппаратам в первую очередь относятся  КА на геостационарных, геосинхронных (круговых и эллиптических), а также  высокоэллиптических орбитах.

Существующие КА СДКМ  охватывают значительную часть территории Российской Федерации, за исключением северных полярных районов. Поэтому орбитальная группировка КА СДКМ на геостационарной орбите может быть дополнена КА на геосинхронных или высокоэллиптических орбитах.

Сравнительный анализ доступности радиосигналов КА на различных орбитах показывает, что при использовании КА на геосинхронной эллиптической или высокоэллиптической орбите, потребитель имеет возможность непрерывно принимать радиосигналы 2 КА на территории России при ограничении на угол места в 5 градусов. При повышении значения предельно допустимого угла места до 30 градусов доступность снижается до 0.91 при использовании КА на геосинхронной эллиптической орбите и до 0.83 при использовании КА на высокоэллиптической орбите.

Орбитальная группировка КА на геосинхронной круговой орбите обеспечивает доступность 0.8 и 0.3 для углов места 5 и 30 градусов соответственно

Развитие технологий эфемеридно-временного обеспечения позволяет рассматривать возможность  не только передачи данных через КА на геостационарной, геосинхронных (круговых и эллиптических), а также  высокоэллиптических орбитах,  но и излучения навигационных радиосигналов с борта указанных КА При этом в состав цифровой информации, передаваемой в этих сигналах, должна быть включена оперативная высокоточная информация об эфемеридах и частотно-временных поправках НКА ГЛОНАСС и других ГНСС, с целью обеспечения потребителя данными для решения задач высокоточного местоопределения.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Развитие ГЛОНАСС входит в новую историческую фазу. Новые навигационные радиосигналы с кодовым разделением и развертывания национальной системы SBAS обеспечат не только повышение качества навигационных услуг ГЛОНАСС, но и создадут благоприятные предпосылки для построения региональной высокоточной навигационной системы, которая позволит потребителям решать навигационные задачи в точностью в единицу дм не только на территории России, но и в государствах Европы, Ближнего и Дальнего Востока.

 

БЛАГОДАРНОСТЬ

 

Данная статья основана на научном докладе “Стратегия развития ГЛОНАСС”, представленном на 23-м Международном Техническом Заседании ION GNSS 2010, которое проходило в Институте Навигации г. Портленда, шт. Орегон, с 21 по 24 сентября, 2010 года.

 

Ю. Урличич является генеральным директором – генеральным конструктором ОАО «Российские космические системы», генеральным конструктором глобальной навигационной системы ГЛОНАСС, д.т.н., профессором, автором 150 научных трудов, 20 изобретений и патентов.

 

В. Субботин является первым заместителем генерального директора – генерального конструктора ОАО «Российские космические системы», д.т.н. Он более 40 лет работает в космической промышленности и является автором более 50 научных трудов в области ракетно-космической техники.

 

Г. Ступак является заместителем генерального директора – генерального конструктора ОАО «Российские космические системы», заместителем генерального конструктора глобальной навигационной системы ГЛОНАСС и профессором Московского Государственного Технического Университета (МГТУ) им. Н.Э. Баумана. Он более 35 лет работает в космической промышленности и имеет более 150 научных публикаций.

 

В. Дворкин является заместителем генерального конструктора в ОАО «Российские космические системы». Он более 35 лет работает в сфере развития системы ГЛОНАСС, ее функциональных дополнений и навигационной аппаратуры потребителей и является автором более 50 работ в области спутниковой навигации.

 

А. Поваляев является заместителем начальника центра в ОАО «Российские космические системы» и профессором Московского Авиационного Института. Александр посвятил более 30 лет работе в области обработки измерений фазы псевдодоплеровской частоты и является автором более 40 научных работ в области спутниковой навигации.

 

С. Карутин являет заместителем начальника центра в ОАО «Российские космические системы» и доцентом МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сергей занимается вопросами развития системы ГЛОНАСС, функциональных дополнений и навигационной аппаратуры потребителя с 1998 г. В 2004 г. получил степень к.т.н. в МГТУ им. Н.Э. Баумана.

 

ЛИТЕРАТУРА

 

• GLONASS Background and Use

 

“GPS, GLONASS, and More: Multiple Constellation Processing in the International GNSS Service” by T. Springer and R. Dach in GPS World, Vol. 21, No. 6, June 2010, pp. 48–58.

 

“The Future is Now: GPS + GLONASS + SBAS = GNSS” by L. Wanninger in GPS World, Vol. 19, No. 7, July 2008, pp. 42–48.

 

“GLONASS: Review and Update” by R.B. Langley in GPS World, Vol. 8, No. 7, July 1997, pp. 46–51.

 

• GLONASS Current and Future Signal Structures

 

GLONASS Interface Control Document, Edition 5.1, Russian Institute of Space Device Engineering, Moscow, 2008.

 

“The Spreading and Overlay Codes for the L1C Signal” by J.J. Rushanan in Navigation, Vol. 54, No. 1, Spring 2007, pp. 43–51.

 

Spread Spectrum Systems for GNSS and Wireless Communications by J.K. Holmes, Artech House, Inc., Norwood, Massachusetts, 2007.

 

“The Galileo Code and Others” by G.W. Hein, J.-A. Avila-Rodriguez, and S. Wallner in Inside GNSS, Vol. 1, No. 6, September 2006, pp. 62–74.

 

• System for Differential Correction and Monitoring

 

“Russian System for Differential Correction and Monitoring: A Concept, Present Status, and Prospects for Future” by S.V. Averin, V.V. Dvorkin, and S.N. Karutin in Proceedings of ION GNSS 2006, the 19th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation, Fort Worth, Texas, September 26–29, 2006, pp. 3037–3044.

 

Minimum Operational Performance Standards for Global Positioning/Wide Area Augmentation System Airborne Equipment, RTCA/DO-229D, prepared by SC-159, RTCA Inc., Washington, D.C., December 13, 2006.

 

“Appendix B. Technical Specifications for the Global Navigation Satellite System (GNSS)” in Aeronautical Telecommunications: International Standards and Recommended Practices, Annex 10 to the Convention on International Civil Aviation, Vol. I. Radio Navigation Aids, (6th ed.), International Civil Aviation Organization, Montreal, Quebec, Canada, 2006.

 

• SISNeT

 

“Proposal of an Internet-Based EGNOS Receiver Architecture and Demonstration of the SISNeT Concept” by E. González, M. Toledo, A. Catalina, C. Barredo, F. Torán, and A. Salonico in Proceedings of ION GPS/GNSS 2003, the 16th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation, Portland, Oregon, September 9-12, 2003, pp. 1628–1641.

 

• Precise Point Positioning

 

“An Evaluation of OmniStar XP and PPP as a Replacement for DGPS in Airborne Applications” by J.S. Booth, and R.N. Snow in Proceedings of ION GNSS 2009, the 22nd International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation, Savannah, Georgia, September 22–25, 2009, pp. 1188–1194.

 

“Precise Point Positioning for Real-Time Determination of Co-Seismic Crustal Motion” by P. Collins, J. Henton, Y. Mireault, P. Héroux, M. Schmidt, H. Dragert, and S. Bisnath in Proceedings of ION GNSS 2009, Savannah, Georgia, September 22–25, 2009, pp. 2479–2488.

 

“Orbits and Clocks for GLONASS Precise-Point-Positioning” by R. Píriz, D. Calle, A. Mozo, P. Navarro, D. Rodríguez, and G. Tobías in Proceedings of ION GNSS 2009, Savannah, Georgia, September 22–25, 2009, pp. 2415–2424.

 

“Study on Precise Point Positioning Based on Combined GPS and GLONASS” by X. Li, X. Zhang, and F. Guo inProceedings of ION GNSS 2009, Savannah, Georgia, September 22–25, 2009, pp. 2449–2459.

 

Статья на английском языке опубликована в журнале GPS World (http://www.gpsworld.com/gnss-system/glonass/innovation-glonass-11405)