5.2 Cns/atm – концепция перспективной глобальной системы аэронавигации

В 1983 г., ICAO, признавая обостряющиеся ограничения существующих аэронавигационных систем и необходимость их совершенствования, учредила Специальный комитет по будущим аэронавигационным системам FANS I.

Предпосылки создания будущей аэронавигационной системы:

• увеличение объёма авиаперевозок во всех регионах мира и перегрузка аэропортов

• ограничения в пропускной способности воздушного пространства, особенно на маршрутах большой протяжённости

• стремление авиакомпаний оптимально использовать воздушное пространство (получать выигрыш в расстоянии, высотах полёта, в расходе топлива)

• стремление авиакомпаний к максимально экономичному использованию наземной структуры (уменьшение задержек при рулении и взлёте, сокращение ТО)

• моральное и физическое старение средств связи, навигации, наблюдения и их несоответствие современным требованиям

• возможность использования в аэронавигационной системе новых спутниковых информационных технологий

В 1988 г. комитет FANS I предложил перспективную концепцию построения CNS, основанную на спутниковых технологиях, и принципы развития системы организации воздушного движения ATM.

Следующий комитет, FANS II, разработал глобальный план внедрения концепции, принятый в сентябре 1991 г. на 10 Аэронавигационной конференции ICAO

Концепция CNS/ATM реализуется на использовании передовых спутниковых и наземных технологий навигации, наблюдения и связи в их разумном сочетании

5.3 Спутниковые рнс – основа аэронавигационной системы будущего

Спутниковые радионавигационные системы (СРНС) в гражданской авиации используются для определения координат местоположения и скорости воздушных судов. Также спутники могут выполнять роль транслятора при взаимодействии между наземными и бортовыми системами.

5.3.1 Термины и определения

Для описания применения искусственных спутников Земли в качестве подвижных радиомаяков используются такие термины, как орбита, наклонение орбиты, зона видимости ИСЗ и т.д.. Кратко рассмотрим ряд из них.

Траектория движения ИСЗ называется орбитой.

Траектория полета навигационного ИСЗ представляет собой неподвижную относительно удаленных звезд плоскую эллиптическую орбиту, один из фокусов которой совпадает с центром масс Земли. Параметрами такой орбиты являются большая и малая полуоси а и b (рис.5.3.).

Вместо этой пары параметров размеры и форму эллипса можно характеризовать равноценной им другой парой величин:

длиной большой полуоси а и эксцентриситетом:

Р ис.5.3а. Орбита искусственного спутника земли

Положение спутника на орбите характеризуется длиной радиуса-вектора r и истинной аномалией . Уравнение эллипса в полярных координатах r и u имеет вид:

Точка П наименьшего удаления ИСЗ от фокуса называется перигеем, а точка А орбиты, наиболее удаленная от фокуса,—апогеем орбиты. Период обращения ИСЗ определяется длиной большой полуоси.

Система параметров, включающая большую полуось а, эксцентриситет е, наклонение орбиты i, долготу восходящего узла ζ, в момент перигея ω и время прохождения ИСЗ через перигей τ, называется системой Кеплеровых элементов орбиты.

Кеплеровы элементы орбиты полностью определяют закон движения ИСЗ. Кроме того, закон движения может задаваться и с помощью других систем величин, например прямоугольными координатами ИСЗ и их производными относящимися к некоторому определенному моменту времени.

Р ис.5.3б. Орбита искусственного спутника земли

Связь между потребителем и НИСЗ может поддерживаться только в пределах прямой видимости, поэтому область пространства, в пределах которой радиосвязь возможна, оказывается ограниченной.

Зона видимости наземного пункта (или ВС) — это область местонахождения ИСЗ, в пределах которой осуществима устойчивая связь между ИСЗ и наземным пунктом (или ВС).

Зона видимости наземного наблюдателя представляет собой область пространства в виде конуса, расположенного над точкой наблюдения, с образующей под углом δ над горизонтом (рис.5.4).

Зоной видимости ИСЗ называется совокупность наземных или приземных точек, из которых ИСЗ, расположенный на данной высоте над Землей, виден под углами, превышающими δ. Выбор состава и конфигурации орбитальной группировки НИСЗ может обеспечить заданную рабочую зону, возможность реализации различных методов навигационно-временных определений (НВО), непрерывность и точность НВО и т. д.. Например, увеличение высоты полета ИСЗ современных средневысотных СРНС до п римерно 20000 км позволяет принимать сигналы каждого НИСЗ на значительных территориях (табл.5.1.).

Рис.5.4. Зоны видимости наземного наблюдателя и ИСЗ

Таблица 5.1.

Ни, км	1000	10000	20000	35310
АА, км	2410	6383	7959	8937
β ,град	21,7	57,5	66,2	71,5

Несколько НИСЗ, расположенных на определенных орбитах, могут формировать сплошное, с точки зрения наземного и авиационного потребителя, глобальное радионавигационное поле.

Соображения, учитываемые при выборе конфигурации и состава спутникового сегмента следующие.

Форма орбит навигационных ИСЗ

Для того чтобы условия наблюдения ИСЗ были по возможности одинаковыми, во всех точках земного шара целесообразно использовать круговые орбиты.

Наклонения орбит навигационных ИСЗ

Если наклонение орбиты равно нулю (такие ИСЗ можно называть экваториальными), то зона видимости по мере движения ИСЗ прочерчивает полосу, ограниченную двумя параллелями, удаленными от экватора на расстояние, равное радиусу зоны видимости. Вне этой полосы ИСЗ не виден.

Если наклонение орбиты равно 90° (ИСЗ, с таким наклонением называют полярными), то полоса обзор охватывает земной шар так, что ее ось проходит через полюс. Если в состав системы входит несколько полярных ИСЗ, то чаше всего спутники наблюдаются в околополюсных районах.

Сопоставив экваториальные и полярные ИСЗ, можно заключить, что для увеличения частоты появления спутников в зоне видимости ВС, совершающих полеты в средних широтах, наклонения орбит ИС целесообразно выбирать так, чтобы они отличались от 90° на угол, зависящий от размеров зоны видимости.

Радиус орбиты и требуемое число ИС в системе

Зона видимости отдельного ИСЗ ограничена, и размер ее зависит от высоты полета ИСЗ. Поэтому очевидно, что число спутников, при котором обеспечивается постоянное наблюдение четырех ИСЗ, также зависит от высоты полета ИСЗ. Чем больше высота полета ИСЗ, тем меньше, число спутников потребуется для создания глобальной спутниковой системы.

Кроме того, существенно, что чем ближе высота полета к значению 35 810 км, тем меньше скорость движения ИСЗ относительно поверхности Земли. При малой скорости упрощаются наблюдения за ИСЗ и облегчаются условия измерений. Приводимые соображения свидетельствуют о целесообразности использования для навигационных измерений суточных ИСЗ, обращающихся на суточных орбитах (т. е. спутников на высотах 35 810 км).

Если использовать три стационарных экваториальных ИСЗ и расположить их на равных расстояниях друг от друга по экватору, то в поле зрения наблюдателя, в какой бы наземной точке он не располагался, будет находиться по крайней мере один спутник. При шести таких ИСЗ в поле зрения наблюдателя всегда, будут два спутника, что позволит определить широту и долготу самолета.

Стационарные экваториальные ИСЗ не видны только в полярных районах, следовательно, систему экваториальных ИЗС необходимо дополнить спутниками с наклонением, отличным от нуля. Руководствуясь подобными рассуждениями, выбирались компоновки ИЗС систем GPS и ГЛОНАСС.