6 Спутниковые системы радиосвязи в навигации
Современное поколение космических систем связи настолько тесно интегрирует в себя сервис координатометрии и использует его в алгоритмах системы автоматизированного управления связью (АСУС) и тарификации. Точность определения координат и стандарты точности судовождения представлены в 1983 г. Международной Морской Организацией (ИМО) в Резолюции А.529(13). При этом районы плавания для судов, следующих со скоростью до 30 узлов, подразделяются на две основные зоны: открытое море и прибрежные районы, а также подходы к портам и портовые воды, в которых ограничена свобода маневрирования судов.
В первой зоне точность судовождения должна быть не хуже 4% от расстояния до ближайшей навигационной опасности, с максимумом в 4 мили при наибольшем допустимом интервале времени от момента последнего местоопределения.
Во второй зоне точность регламентируется принятой в 1995г. Резолюцией ИМО А.815(19) по Всемирной Радионавигационной Системе (ВРНС) и эта точность не должна быть хуже 10 м с вероятностью 95%.
Информация о местоположении судна должна обновляться с интервалом не более 10 секунд. Однако если информация о местоположении судна используется для непосредственного управления судном или в электронных картах, то обновление информации должно осуществляться с интервалом около 2 секунд. Поэтому стали развиваться системы, сочетающие возможности определения координат подвижных объектов и организации связи между ними. Первыми такими системами стали система OmniTracs и система Коспас-Сарсат, действующие и в настоящее время. Первая предназначена для связи с подвижными объектами и определения их координат, вторая для аварийного оповещения.
Услуги получения координат в системах связи не могут быть полностью адекватными услугам, предоставляемым специализированными спутниковыми навигационными системами. Создание интегрированных систем пошло по нескольким направлениям.
Первое – создание систем связи, позволяющих проводить измерения координат абонентов без привлечения средств СРНС, с ограниченной точностью и ограниченным быстродействием процедуры измерения.
Второе – создание систем связи, позволяющих проводить измерения координат абонентов с привлечением средств СРНС.
Итак, рассмотренные примеры систем спутниковой связи, предоставляющих услуги измерения координат позволяют определить основные тенденции. Во-первых, достаточно широко распространены системы, использующие геостационарные ИСЗ. Однако для решения задач управления движением подвижных объектов требуется точности определения координат достигаемые только с помощью датчиков GPS-GLONASS. Именно поэтому в системе Inmarsat Стандарт С используется совмещенный с GPS-GLONASS терминал, хотя из анализа зон обслуживания ИСЗ Inmarsat видно, что имеется техническая возможность (обусловленная значительными областями перекрытия зон радиовидимости) для реализации дальномерных алгоритмов определения координат по двум ИСЗ.
Широко распространенные системы EUTELTRACS и OMNITRAC задумывались как сети, накладываемые на арендуемые спутниковые каналы, что обеспечивало их конкурентоспособность за счет низкой стоимости создания. Точность, обеспечиваемая этими системами, недостаточно высока для реализации задач управления движением, но позволяет решать задачи слежения за транспортом.
Общей чертой систем, использующих Геостационарные ИСЗ, является связь в режиме телеграмм с возможностью выхода в сеть Интернет и сети Х25. Низкий уровень сервиса связных услуг (связь в режиме телеграмм) обусловлена напряженной энергетикой линии связи подвижный терминал - геостационарный ИСЗ, и стремлением сократить занимаемую полосу в спутниковом канале.
В случае систем использующих негеостационарные ИСЗ классификация должна производиться другим образом. Так можно выделить полномасштабные системы связи, совмещенные с системой координатометрии. Причем совмещение произведено до уровня организации связи и предоставления услуг обоих видов абонентам. В таких системах борьба за их самодостаточность может повлечь неоправданно большие расходы из-за особенностей формируемого низкоорбитальными группировками ИСЗ многократного покрытия, принципиально важного для решения задачи измерения координат.
В то же время малоспутниковые системы типа ORBCOMM - “Гонец”, использующие датчики GPS-GLONASS и разработанные с учетом минимизации затрат на их развертывание, могут составить серьезную конкуренцию системам типа INMARSAT за счет боле легких и компактных абонентских терминалов и возможности предоставления услуг в полярных областях. Причем для обслуживания полярных областей в настоящее время наиболее пригодна система “Гонец”.
Функционирует целый ряд систем спутниковой связи использующих, как геостационарные, так и низколетящие спутники. Исторически развитие космических систем связи и навигации началось параллельно. Хотя в навигационных системах присутствовали служебные комплексы связи, но они не являлись системами связи массового обслуживания. В то же время на системы космической связи в начале их развития не возлагались функции измерения координат, хотя они нуждались в баллистическом обеспечении и, следовательно, в решении задачи определения местоположения ретрансляторов. То есть решение задач местоопределения в системах связи носило характер обеспечения их функционирования. Однако довольно быстро стало ясно, что для решения задачи управления и связи с подвижными объектами необходимо знание координат объектов. Возможности совмещения услуг местоопределения и связи нашло применение в обслуживании транспортных сухопутных перевозок, породив целое направление – телематику. Одновременно возможность измерения и передачи координат подвижных объектов давала возможность создания нового класса систем – систем глобального аварийного оповещения.
6.1 Система местоопределения, использующая специализированную спутниковую радионавигационную систему.
Совмещение навигационных и связных систем возникает при необходимости отслеживания движения транспортных средств, выполнения ими графика и т.п.
Эти системы относятся к категории пассивных систем с самоопределением. В них радиопередатчик имеется только на навигационных ИСЗ, а аппаратура, размещаемая на подвижном объекте, имеет только приемник сигналов ИСЗ, устройство обработки сигналов и вычисления координат объекта. В данных навигационных системах результаты вычисления координат объекта имеются только на самом объекте, т.е. аппаратура объекта сама определяет свои координаты. Общепринятое название этой аппаратуры - аппаратура потребителя спутниковой навигации (АПСН).
Схема построения системы радиоместоопределения и сопровождения подвижных объектов на основе спутниковой радионавигационной системы представлена на рис. 6.1.
Аппаратура, устанавливаемая на подвижном объекте - аппаратура потребителя, осуществляет прием навигационных сигналов одновременно от нескольких НКА, находящихся в зоне видимости. Определяются географические координаты подвижного объекта, скорость и направление движения.
Данные о координатах и скорости подвижного объекта могут представляться потребителю в визуальной форме на табло и запоминаются с регистрацией времени измерения.
Рис. 6.1 – Схема использования геостационарного спутника связи для контроля и управления передвижением транспорта
Для передачи навигационных параметров подвижного объекта в центр сбора данных на подвижном объекте используется отдельный канал связи подвижной спутниковой службы (ПСС). В данной схеме указан канал спутниковой связи подвижного объекта с наземной станцией центра сбора через геостационарный спутник связи (ГСС). Сеанс измерения навигационных параметров и их передача от подвижного объекта включается по запросу из центра сбора. При этом не требуется вмешательства оператора на подвижном объекте.
6.2 Система местоопределения, использующая геостационарные спутники связи.
Широкое развитие спутниковой связи на основе геостационарных спутников позволили использовать эти спутники как неподвижные опорные радионавигационные точки для измерения относительно них координат подвижных объектов (ПО).
2006 год стал годом вхождения Республики Казахстан в число космических держав. Событием особой важности в этом событии стало выведение 18 июня 2006 года на геостационарную орбиту спутника связи KAZSAT-1. Спутник размещен в экваториальной плоскости на 103о в. д. Естественным направлением исследований должна стать разработка методов использования для навигационных целей.
6.2.1. Принцип местоопределения транспортных средств. В самом общем случае оценке (с точностью до 100 м) подлежат три координаты, что требует трех ГСС. В то же время в большинстве случаев задача определения координаты ПО проще и эффективнее решается другими средствами, например, самолетными радио- и баровысотомерами. Значит, задача сводится к оценке двух оставшихся координат ПО и может решаться с использованием только двух ГСС.
Описание метода расчета расстояний между спутником и наземной станцией в геоцентрической системе координат приведено в разделе 2.2.
Расстояние между спутником, находящимся на геостационарной орбите, и земной станцией из выражения (2.2) преобразуется в следующее, рекомендуемое также «Регламентом связи»:
d = 42644 (1 − 0,2954 cos Ψ )¹/²,
cos Ψ = cos φзс × cos Δ , (6.1)
Δ = kc – зс,
где φзс – широта земной станции;
Δ – разность долгот космической и земной станций.
Для решения задач навигации в дополнение к ИСЗ KAZSAT-1 необходимо выбрать еще один спутник на геостационарной орбите. Выбор здесь большой. Остановимся для примера на кандидатуре российского спутника «Экспресс», расположенного на 40о восточной долготы. С помощью формул (6.1) рассчитаем положение изолиний равного удаления от спутников KAZSAT-1 и «Экспресс». Результаты расчетов приведены в таблицах 6.1 и 6.2 и на рисунке 6.2.
Таблица 6.1