УДК 629.78 Контроль целостности спутниковых радионавигационных систем: состояние и перспективы Я.В. Свинтицкий - инженер, ОАО «Российские космические системы», e-mail:rks0741@gmail.com, тел. (495) 999-09-99 О.А. Алексеев - д.т.н., профессор, начальник отдела, ОАО «Российские космические системы» Аннотация: Рассмотрены применяемые в настоящее время методы и средства контроля целостности, отмечены их недостатки. Предложен подход к контролю целостности на основе межспутниковых измерений. Описаны различные варианты реализации данного подхода при проведении измерений между спутниками, находящимися как в одной орбитальной плоскости, так и в разных орбитальных плоскостях. Определены критерии оценки целостности системы по результатам измерений текущих навигационных параметров. Ключевые слова: космическая навигационная система, контроль целостности, межспутниковые измерения. Integrity monitoring of space based radio navigation systems: status and prospects. J.V. Svintitsky, O.A. Alekseev Abstract: This paper reviews existed methods and ways in integrity monitoring of Space-based navigation systems, notices their features. Proposed approach in the way of integrity monitoring with using of inter-satellite measurements. Reviewed variants of the proposed approach with using inter-satellite measurements in one orbital plane and within the whole constellation. Estimate criterions of integrity monitoring were determined by results of measuring current navigation parameters. Key words: space-based navigation systems, integrity monitoring, inter-satellite measurements. 2 Введение Спутниковые радионавигационные системы (СРНС) позволяют определить местоположениe в пространстве практически в любом месте на Земле независимо от погодных условий, а также в околоземном космическом пространстве. Местоположение определяется путем измерения расстояний до объекта от точек с известными координатами – спутников. Расстояние вычисляется по времени задержки распространения сигнала от момента излучения его спутником до момента приёма антенной приёмника. Таким образом, для определения трёхмерных координат приёмнику требуется знать расстояние до трёх спутников и время спутниковой системы, то есть принимать сигналы как минимум с четырёх спутников. Одно из основных требований к СРНС это способность непрерывно определять координаты потребителей с заданной точностью. В процессе эксплуатации СРНС могут возникнуть отказы её элементов, приводящие к определению координат потребителей с погрешностями, превышающими заданные. Для оценки состояния СРНС используется понятие целостности. Под целостностью понимают способность системы обеспечить своевременное с заданной вероятностью предупреждение пользователя в те моменты времени, когда система не в состоянии удовлетворить требованиям к заданной точности. Одна из задач поддержания целостности в условиях информационной избыточности заключается в выявлении неисправного спутника и исключении передаваемой им информации из обработки. Вопросы обеспечения целостности СРНС по значимости сопоставимы с вопросами достижения её высокой точности [1]. Вместе с тем используемые методы и средства контроля целостности СРНС имеют определенные ограничения, что обусловливает поиск иных подходов к её контролю. Один из них состоит в использовании межспутниковых измерений и информационного обмена между элементами орбитального сегмента СРНС. Анализ известных методов и средств контроля целостности СРНС Мерой целостности СРНС является вероятность выявления отказа в системе Pц в течение времени Tц, не более заданного. Например, высокие требования к целостности СРНС предъявляются при заходе на посадку самолетов по одной из категорий Международной организации гражданской авиации (ICAO): Pц = 1 – 3,3·10-7 при Tц< 6 с (I категория); Pц = 1 – 3,3·10-8 при Tц< 2 с (II категория); Pц = 1 – 1,5·10-9 при Tц< 1 с (III категория) [2]. Под отказом СРНС в смысле нарушения её целостности понимается ситуация, в которой отклонение параметров радионавигационных сигналов, излучаемых спутниками, от номинальных значений или искажение переносимой ими эфемеридно-временной 3 Число ситуаций, когда при выбранных знаках трех переменных их модули могут принимать шесть значений равно 63 216 . Общее число ситуаций принятия решений о целостности равно 1728. Каждой из 216 комбинаций значений модулей при фиксированном сочетании знаков соответствует определенная вероятность, например, при r3 / 0 4, l3 / 0 1, d3 / 0 3 P413 0,125P4 P1 P3 . Зададим граничное значение вероятности ложной тревоги Piлдг 1,98·10 3 . Анализ ситуаций принятия решений о целостности показывает, что к этому значению вероятности Piлдг близки вероятности таких комбинаций значений модулей | r3 / 0 |,| l3 / 0 | и | d3 / 0 | , при которых два из значений равно 1, а третье значение равно 2 ( P112 0,125P1 P1 P2 = 1,97941·103 ). Этим комбинациям соответствуют наибольшие значения модуля | Д п31 | = 3,121 и 3,414. Ближайшей к выбранной комбинации является комбинация значений модулей | r3 / 0 |,| l3 / 0 | и | d3 / 0 | , при которых все значения равны 1 ( P111 0,125P1 P1 P1 = 4,97132·10 3 ). Этой комбинации соответствует наибольшее значение модуля | Д п31 | = 2,414. Учитывая, что последняя комбинация неприемлема ( P111 Piлдг ), выберем значение параметра признака нарушения целостности системы (10) в интервале 2,414 b 3,121. Примем b = 2,5. Выберем параметр условия нарушения целостности системы (9) a = 5. При этом значении параметра a и принятом значении параметра b максимальное значение вероятности Piлн 4,575·107 . Если при принятом значении параметра b взять значение параметра a = 6, то Piлн 1, 66·109 . Как следует из приведенного примера при фиксированном значении параметра b, определяющего признак нарушения целостности системы (10), недостоверность контроля целостности уменьшается с ростом параметра a, определяющее условие нарушения целостности системы (9). Таким образом, для использованной аппроксимации непрерывных функций распределения каждой из величин в выражении (12) критерию качества принятия решений (11) при граничном значении вероятности ложной тревоги Piлдг 1,98·10 3 соответствуют параметры решений a = 6 и b = 2,5. При этом вероятность недостоверного контроля целостности не превышает величины Piлн 1, 66·109 . Заключение Характеристики существующих, преимущественно наземных средств контроля целостности СРНС, не в полной мере удовлетворяют возрастающим требованиям 4 потребителей по достоверности и оперативности. Одно совершенствования средств контроля целостности заключается из направлений в использовании межспутниковых измерений и информационного обмена между элементами орбитального сегмента СРНС. Для осуществления достоверного контроля целостности СРНС при использовании межспутниковых измерений в отдельной орбитальной плоскости необходимо иметь не менее двух четко известных и оппозитно расположенных опорных исправных спутников, координаты и временная шкала которых с высокой степенью достоверны. При априорном задании опорных спутников их количество в каждой орбитальной плоскости должно быть не мене трех. Контроль целостности на основе межспутниковых измерений обеспечивает повышение чувствительности к продольным и поперечным смещениям спутника на орбите в 1,5…3,7 раза по отношению к наземным средствам контроля и в перспективе позволяет обеспечить оперативность контроля целостности на уровне Tц < 1 с. Характеристики качества принимаемых решений при контроле целостности СРНС по разностям измеренных и расчетных значений псевдодальностей между спутниками в виде вероятности недостоверного контроля целостности и вероятности ложной тревоги зависят от точности эфемеридно-временного обеспечения орбитального сегмента СРНС, а также от параметров решений, определяющих условия нарушения целостности и признаки нарушения целостности по результатам контроля. Литература 1. Соловьев Ю.А. Системы спутниковой навигации. М.: Эко-Трендз, 2000. 2. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС/ Под ред. В.Н. Харисова, А.И. Перова. – 4-е изд. перераб. и доп. – М.: Радиотехника, 2010. 800 с. 3. Круглов А.В., Немцев В.И., Урличич Ю.М. Способ и устройство контроля целостности спутниковых навигационных систем, патент № 2411533, опубликован 10.02.2011 г. 4. Hongliang Xu, Jinling Wang, Xingqun Zhan. GNSS Satellite Autonomous Integrity Monitoring (SAIM) using inter-satellite measurements// Advances in Space Research, v. 47, issue 7, 1 april 2011, p. 1116-1126.