Анализ методов контроля целостности спутниковых радионавигационных систем в навигационных системах подвижных наземных объектов

В статье проанализированы методы контроля целостности спутниковых радионавигационных систем (СРНС) в навигационных системах подвижных наземных объектов. Методы контроля целостности, основанные на использовании избыточности информации СРНС и использовании внешней по отношению к потребителю средств контроля целостности информации не позволят выполнить совместную задачу идентификации отказавшего навигационного спутника и оценки работоспособности приемника СРНС. Для решения данной задачи необходимо использовать методы марковской теории оценивания случайных процессов и полей, которые позволят определить факт отказа спутника и внешние автономных методы контроля целостности, основанные на получении избыточной информации от БИНС для контроля работоспособности СРНС.

Особенностью функционирования навигационных систем ПНО является зависимость значений погрешностей координат местоположения от наличия данных на выходе приемника СРНС (АП СРНС). Наличие данных на выходе АП СРНС зависит от исправности отдельных элементов космического сегмента СРНС, от исправности приемных каналов АП СРНС. Еще одной особенностью, приводящей к отсутствию данных на выходе приемника СРНС, является возможность перехода СРНС в режим временного отказа, связанного с изменением внешних условий, приводящих к уменьшению мощности сигнала на входе приемного устройства измерителя или к его полному кратковременному пропаданию. При отсутствии данных на выходе АП СРНС происходит значительный рост погрешностей в определении координат местоположения, который приводит к невозможности определения местоположения на основе данных от СРНС как для отечественных, так и для навигационных систем зарубежных производителей и негативно сказывается на точности и доступности данных как СРНС, так и всей системы.

Под доступностью понимается способность радионавигационной системы обеспечить проведение навигационных определений в заданный момент времени в определенной зоне действия [1].

Доступность радионавигационной системы характеризуется вероятностью получения потребителем в рабочей зоне достоверной навигационно-временной информации в определенный период времени и с требуемой точностью [2].

Для обеспечения доступности и достоверности данных необходим контроль целостности СРНС в навигационных системах ПНО. Для обеспечения контроля целостности необходимо решить задачу обнаружения аномальной работы ее элементов и защиты результата решения навигационной задачи от влияния этих аномалий. Обнаружение аномальной работы элементов СРНС будет заключаться в решении совместной задачи идентификации отказа навигационного спутника, определения факта перехода СРНС в режим временного отказа и контроля работы приемника СРНС.

Контроль целостности СРНС в настоящее время может осуществляться:

1. С помощью аппаратуры навигационного спутника, наземного контрольного сегмента и систем дифференциальной коррекции, т.е систем использующих внешнюю по отношению к потребителю информацию
2. С помощью автономных методов контроля целостности, т. е в аппаратуре потребителя. Методы автономного контроля целостности делятся на:

‒ методы контроля целостности, основанные на методах оценок [3](методы максимального отличия решения [4], сравнения дальности [5], сравнения местонахождения, невязки по методу наименьших квадратов [6]) и методах фильтрации [7–8], использующих избыточность информации СРНС за счет наблюдения в АП СРНС пяти или больше спутников;

‒ методы контроля целостности, основанные на получении избыточной информации от других датчиков и систем, имеющихся в составе навигационной системы (барометрического высотомера (БВ) [11–14], инерциальной навигационной системы (ИНС); радиосистем ближней навигации (РСБН), радиосистем дальней навигации (РСДН))

Недостатками использования для контроля целостности систем, работающих на основе внешней по отношению к потребителю информации, являются:

‒ дополнительные затраты на организацию канала оповещения;

‒ ограниченность действия систем дифференциальной коррекции и необходимость создания специализированного канала связи контрольной станции с потребителями.

‒ не возможность контролировать работоспособность АП СРНС.

Недостатками методы контроля целостности использующих избыточность информации СРНС являются:

‒ Невозможность определения факта временного отказа СРНС

‒ Необходимость избыточности спутниковых измерений для определения отказавшего спутника, обеспечение которой возможно не всегда

Методы контроля целостности, основанные на получении избыточной информации от других датчиков и систем, имеющихся в составе навигационной системы такжеимеют недостатки, связанные с особенностями функционирования навигационных устройств (зависимость БВ от метеоусловий, ограниченность действия РСБН и РСДН) и с использованием методов вторичной обработки информации при синтезе алгоритмов контроля. Алгоритмы контроля на основе методов вторичной обработки не позволяют определить причину отсутствия данных на выходе приемника СРНС и факт отказа спутника, но способны определить факт отказа приемника СРНС.

В настоящее время для повышения точности, надежности и целостности навигационного обеспечения необходимо создание алгоритмов оптимальной комплексной первичной обработки радиосигналов, которые позволяют одновременно решать задачу различения радиосигналов на входе приемных устройств и оценивания параметров этих сигналов — алгоритмов фильтрации дискретно-непрерывных процессов. Использование данных алгоритмов так же позволит решить задачу контроля целостности СРНС в навигационной системе ПНО — за счет определения одного или двух дискретных параметров, характеризующих наличие сигнала от спутников на входе приемника СРНС [9–10].

Таким образом, рассмотренные методы контроля целостности не позволят решить совместную задачу идентификации отказавшего навигационного спутника, определения факта перехода СРНС в режим временного отказа и контроля работы приемник СРНС. Рассмотренные методы могут решить её по отдельности. Для решения данной задачи необходимо объединить методы оценивания дискретно — непрерывных процессов, которые позволят определить факт отказа спутника или переход СРНС в режим временного отказа и внешние автономных методы контроля целостности, основанные на получении избыточной информации от других устройств и систем (например от БИНС) с помощью которых возможно контролировать работу приемника СРНС.

Литература:

1. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / Под ред. А. И. Перова, В. Н. Харисова. Изд 3-е, перераб. — М.: Радиотехника, 2005,688 с., ил.
2. Радионавигационный план Рос. Федерации: утв. приказом Министерства промышленности и торговли РФ от 2 сентября 2008 г. № 118: в редакции приказа Министерства промышленности и торговли РФ от 31 августа 2011 г. № 1177. [Электронный ресурс]. Доступ из справ.-правовой системы «КонсультантПлюс»
3. Варавва В. Г., Кирейченко В. А. Контроль целостности GNSSв бортовых навигационных системах/ В. Г. Варавва, В. А. Кирейченко // Проблемы безопасности полетов, 1992, № 9
4. Brown R. G., Mc Burney P. W. Selfcontained GPS Integrity Chear Using Maximun Solution Separation// Navigation, Summer 1988,vol 35,no 2.
5. Young C. Lee. Analysis of Range and Position Comparison Methods as a Means to Provide GPS Integrity in the User Receiver// The MITRE Corporation, McLean, Virginia,1986
6. Parkinson B. W., Axelrad P. Autonomous GPS Integrity Monitoring Using the Pseudorange Residual// Navigation, Summer 1988, vol. 35, no. 2.
7. Brown R. G., Self-Contained GPS Integrity: Tradeoff Between Selective Availability and Radial Error to be Protected Against// RTCA Paper no. 408–87/SC159–119
8. Brown R. G., Patrick Y. C. GPS Failure Detection by Autonomous Means Within the Cockpit, Electrical Engineering, Iowa State University Ames, Iowa 50011
9. Ярлыков М. С., Миронов М. А. Марковская теория оценивания случайных процессов. М.: Радио и связь, 1993.
10. Тихонов В. И., Харисов В. Н., Смирнов В. А. Оптимальная фильтрация дискретных и непрерывных процессов // Радиотехника и электроника. 1978. Т. 23, № 7. С. 1441–1453.
11. Иванов, А. В. Алгоритмы обработки информации в навигационных системах наземных подвижных объектов с контролем целостности навигационных данных спутниковых радионавигационных систем / А. В. Иванов, Д. В. Комраков, В. О. Сурков // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В. И. Вернадского. — 2014. — № 52. — с. 53–58.
12. Комраков, Д. В. Оптимальные алгоритмы обработки информации в навигационных комплексах наземных подвижных объектов с автономным контролем целостности навигационных данных /Д. В. Комраков // Актуальные проблемы энергосбережения и энергоэффективности в технических системах: материалы междунар. конф. с элементами научной школы. Тамбов, 23–24 апреля 2015 г — С. 333–335
13. Brown A. Integrity Monitoring Of GPS Using a Barometric Altimrter// RTCA Paper no. 405–87/SC159–117.
14. Иванов, А. В. Комплексные оптимальные алгоритмы обработки информации в навигационных системах подвижных наземных объектов с контролем целостности навигационного обеспечения/ А. В. Иванов // Радиотехника. — 2010.– № 12.