УДК 629.78 Контроль целостности спутниковых

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
=
1,97941·103 ). 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  4,575·107 . Если при принятом значении параметра b взять значение
параметра a = 6, то Piлн  1, 66·109 . 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, 66·109 .
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.