Функциональное дополнение к ГНСС ГЛОНАСС на основе псевдоспутников для обеспечения точной посадки воздушных судов и решения специальных задач ООО «ВедаПроект» - презентация

1 Функциональное дополнение к ГНСС ГЛОНАСС на основе псевдоспутников для обеспечения точной посадки воздушных судов и решения специальных задач ООО «ВедаПроект» и Концерн ПВО «Алмаз-Антей» , г. Москва, Б. Новодмитровская,14С7 Тел. (495) WEB-сайт: Адрес: , г. Москва, ул. Верейская, 41 Телефон: (095) Факс: (095) URL:

2 Локальная радионавигационная система Наземное дополнение к системе ГЛОНАСС на основе псевдоспутников. Разработано ООО «ВедаПроект» совместно с Концерном ПВО «Алмаз-Антей». Локальная радионавигационная система (ЛРНС) предназначена для обеспечения высокоточной навигации в условиях затруднения приема сигналов ГНСС GPS/ГЛОНАСС вследствие непреднамеренных и преднамеренных помех, внутри помещений, в условиях Крайнего Севера и т.п.

3 Наземное дополнение к GSP/ГЛОНАСС Увеличить точность позиционирования до 5-10 см за счет отсутствия у наземных станций эфемеридных и ионосферных погрешностей, а также за счет геометрически оптимального размещения псевдоспутников. Увеличить мощность сигнала, за счет чего многократно повысить устойчивость к РЭБ. Обеспечить навигацию внутри помещений. Обеспечить возможность работы с «длинными кодами» типа ВТ. Наземные псевдоспутники Космическая группировка Более мощный сигнал. Отсутствие эфемеридных и ионосферных погрешностей Приемник GPS/ГЛОНАСС Сеть наземных псевдоспутников, излучает сигнал, схожий по параметрам с сигналом GPS/ГЛОНАСС, который может быть принят обычным приемником GPS/ГЛОНАСС, с минимальным программными модификациями. Наземное функциональное дополнение позволяет:

4 Структура система локальной навигации на основе псевдоспутников псевдоспутники Потребитель Навигационные спутники для опциональной синхронизации системы Контрольно- корректирующая станция LAN WiFi LAN Обратная связь Собственный рубидиевый генератор (опционально)

5 Структура элементов системы. Передача на частотах ГЛОНАСС и L2 GPS RS-232 начал. настройка LAN управление и подстройка Навигационный передатчик Подключение питания УМ Усилитель мощности Передающая антенна Выход 1.2 ГГц и 1.6 ГГц ПсевдоспутникНавигационный приемник Обычный приемник GPS/ГЛОНАСС с небольшими программными модификациями Приемная антенна RS-232 к индикатору Управляющая ЭВМ Рубидиевый генератор частоты (опционально) Приемная антенна псевдоспутников Приемная антенна спутниковой навигационной системы (опционально) Смеситель Контрольно- корректирующая станция Навигационный приемник

6 Гибкие возможности передачи сигналов на других частотах Навигационный передатчик Выход ПЧ 500 МГц ПсевдоспутникНавигационный приемник Приемная антенна Конвертор частоты вниз Управляющая ЭВМ Приемная антенна псевдоспутников Приемная антенна спутниковой навигационной системы (опционально) Смеситель Контрольно- корректирующая станция Выход опорной частоты 10 МГц Конвертор частоты вверх Выход опорной частоты 10 МГц Вход на частоте L1 GPS Конвертор частоты вниз Выход опорной частоты 10 МГц Навигационный приемник

7 Передача сигналов в диапазоне L1, L2 ГЛОНАСС Излучение на литерах 8-12, не используемых в данное время спутниками ГЛОНАСС. Передача сигнала на частоте L2 GPS Передача навигационных сигналов на военной частоте GPS (L2) с использованием кодовой модуляции с кодами L1 или собственных кодов. Передача сигналов на любой другой частоте с использованием внешнего конвертора частот При подключении к системе внешнего конвертора частот (для чего у системы имеется выход опорного генератора частоты 10 МГц) имеется возможность излучения на любой другой частоте. Гибкие возможности передачи сигналов на различных частотах

8 Гибкие возможности СВЧ-тракта Антенны для ближней и дальней зоны. Антенные коммутаторы. Конверторы частот на 2.4ГГц, 5ГГц, 6ГГц. Усилители мощности от 1 Вт до 10 Вт.

9 Преимущества схемы 1.Обратная связь Обратная связь между псевдоспутником и контрольно-корректирующей станцией обеспечивает подстройку псевдоспутников и обеспечивает их мониторинг. 2.Предельно дешевые псевдоспутники Низкая стоимость обеспечивает возможность установки большого числа псевдоспутников по всей протяженности захода на посадку воздушных судов. 3.Независимость от синхронизации с ГНСС Наличие собственного высокоточного рубидиевого генератора обеспечивает возможность автономной работы системы.

10 Интеграция с приемно- измерительной аппаратурой ЛА Передача точных координат и скоростей движения на бортовой вычислитель ЛА по выходной линии интерфейса ARINC-429. Прием команд управления по входной линии интерфейса ARINC-429. Синхронизация протокола ARINC-429 по ARINC-743A. Антенна Навигационный. приемник RS-232 Преобразователь протоколов Сихронизация ARINC-743A К бортовому вычислителю Обмен данными ARINC-429 (Вход и выход)

11 Интеграция с приемно- измерительной аппаратурой Красноярского радиотехнического завода; Ижевского радиозавода; КБ НАВИС. Планируется, что в ближайшем будущем, прием сигналов локальных навигационных полей будет возможен на следующие приемники GPS/ГЛОНАСС, производства:

12 Анализ мирового опыта и перспективы развития псевдоспутников для обеспечения точной навигации

13 США планируют размещение элементов локальный навигационной системы на аэростатах Разработка компании Raytheon. Радиус покрытия навигационным полем км км Псевдоспутники на аэростатах Приемник GPS/ГЛОНАСС

14 Системы посадки воздушных судов Американская версия GBAS (LORAN) в качестве одной из подсистем включает в себя аэродромные псевдоспутники (APL). По сообщениям открытой печати, в США планируется к 2020 году обеспечить возможностями беспилотного ведения боевых действий ( включая полностью автоматическую посадку) до 30% боевых самолетов.

15 Самолет Х-31 фирм BOEING/EADS На экспериментальном самолете Самолет Х-31 фирм BOEING/EADS по программе «VECTOR» ещё в 2000 году отработана система автоматической посадки с использованием навигационной системы на основе псевдоспутников – IBLS (Integrity Beacon Landing System)

16 Морские радионавигационные системы Морские ЛРНС используют в качестве средств линий передачи данных (ЛПД) всенаправленные средневолновые радиомаяки (РМ) с дальностью действия до 200 км. Такие маяки размещены в США практически по всему побережью, по периметру о. Исландия, по побережью Италии и в других странах Европы. РМ размещены также вдоль побережья Австралии, имеются также в Китае, Индии, Южной Африке, Великобритании, Канаде и в ряде других стран. Морские ЛРНС в Норвегии, отдельных районах Финляндии, в Исландии включают псевдоспутники. В США планируется использование псевдоспутников для морских ЛРНС.

17 Внедрение дифференциальной подсистемы ГНСС на базе радиомаяков для морского и речного транспорта предусмотрено Федеральной целевой программой Внедрение дифференциальной подсистемы ГНСС на базе радиомаяков для морского и речного транспорта предусмотрено Федеральной целевой программой, утвержденной Постановлением Правительства РФ от г Проведение этих работ определено также Российским радионавигационным планом, проектом Федеральной целевой программы «Мировой океан» и Решением Координационного совета по использованию системы ГЛОНАСС. Сеть таких ЛФД, работающих по системам ГЛОНАСС и GPS, будет охватывать также все побережье России и акватории прилегающих морей.

18 Аспекты национальной технической политики США в области функциональных дополнений системы GPS «Повседневная зависимость военных от GPS хорошо известна. GPS полностью изменила все, что касается ведения боевых действий: от планирования операций до применения боеприпасов. Поскольку эта наша зависимость от GPS только возрастает, физики исследовательской лаборатории ВВС изучают новые многообещающие технологии типа холодного атома, псевдоспутников, а также инерциальных систем на основе цифровых карт рельефа местности и лазерных радаров, которые ведут к созданию сверхточных, менее зависимых от орбитальных GPS систем. Мне представляется необычайно важным сокращение зависимости вооруженных сил от орбитальных GPS в пользу достижения еще более высокой точности и меньшей уязвимости для помех противника». Начальник Главного штаба ВВС США генерал Нортона Шварц, 20 января 2010 года:

19 Аспекты национальной технической политики США в области функциональных дополнений системы GPS Обеспечение устойчивости навигационных систем в условиях подавления ГНСС, в т.ч. – подавления ГНСС средствами РЭБ противника на театре военных действий. Средствами обеспечения устойчивости к подавлению ГНСС названы локальные дополнения. В документе предусматривается развитие аэродромных псевдоспутников (APL) в качестве подсистемы LAAS. Нормативный документ США в области политики развития ГНСС «GPS» - «Federal Radionavigation System» (2001 г. ). Приоритетными задачами названы:

20 Аспекты национальной технической политики США в области функциональных дополнений системы GPS 8 декабря 2004 года Президент США утвердил новую национальную политику, которая определяет основные направления и пути реализации программ создания систем координатно-временного и навигационного обеспечения. «Политика» предусматривает необходимость координатно-временного обеспечения гражданский потребителей и вооруженных сил США в условиях подавления сигналов GPS вероятным противником.

21 Сферы применения локальных навигационных систем на основе псевдоспутников

22 Общие сферы применение ЛРНС Дополнение ГНСС в районах, где прием сигналов с них затруднен или велика получаемая погрешность определения координат. Известно, что в северных городах акватории северных морей (Архангельск, Мурманск и д.р.) системы навигации GPS работают с погрешностями более 100 м. Локальная система навигации позволяет решить эту проблему.

23 Обеспечение посадки воздушных судов при условии подавления спутниковой навигации Точность позиционирования до 10 см. Высокая мощность передатчиков локальной навигационной системы существенно затрудняет возможность их подавления.

24 Навигационное поле в мегаполисе Автомобильные навигаторы и тахиографы (черные ящики): –Точность определения координат автомобиля до 10 см. –Документирование работы водителя; –Информация для страховых компаний; –Передача информации о пробках. Точное положение сотрудников спецслужб: –В том числе в метро и внутри помещений.

25 Сверхточные навигационные поля в нефтегазовых месторождениях на шельфе Обеспечение посадки вертолетов на нефтяные и газовые платформы в сложных метеоусловиях.

26 Возможности создания перспективных ЛРНС военного и специального назначения

27 Высокоточные минометные выстрелы Минометный выстрел с навигационным приемником и передатчиком Псевдоспутники Передача точных координат

28 Локальные навигационные поля для навигации БПЛА и боевых роботов Псевдоспутники БПЛА Роботы

29 Боевые роботы Вертолеты Наземная техника Полноценная СКВО Локальное навигацион- ное поле БПЛА Авиация Пехота

30 Точные навигационные поля на полях сражений Высокая мощность передатчика: сложность подавления противником. Высокая точность (до 2 – 2,5 см). Пространственное разделение передающий антенны и передатчика: уничтожение антенны не уничтожает сам псевдоспутник. Невысокая стоимость псевдоспутника. Возможность размещения большого их числа: экономически не целесообразно их уничтожать. Мерцающая работа псевдоспутников: противник заранее не знает, где размещены псевдоспутники. Создание псевдоспутниками ложных навигационных полей для дезориентации противника.

31 Схемы создания и развертывания навигационных полей

32 Перспективные системы псевдоспутников быстрого развертывания Существующие псевдоспутники Контрольно- корректирующая станция Установка нового псевдоспутника в произвольное место Установка контрольно- корректирующей станции Псевдоспутник определил свои координаты относительно существующих псевдоспутников

33 Перспективные системы псевдоспутников быстрого развертывания Развертывание локального радионавигационного поля на большие расстояния. Наземная сеть псевдоспутников Позиционирование шара относительно наземной сети псевдоспутников Псевдоспутник на возд. шаре Удаленный потребитель

34 Перспективные системы псевдоспутников быстрого развертывания Позиционирование воздушного шара с установленным на борту псевдоспутником по лазерному локатору. Лазерный локатор Потребитель

35 Результаты имитационного моделирования

36 Методы решения навигационных задач Основным содержанием навигационной задачи является определение пространственных координат потребителя, составляющих вектора его скорости, а также текущего времени. Основные методы решения навигационных задач: 1) Псевдодальномерный метод: определение положения потребителя путем прямого измеренния псевдодальностей. 2) Разностно-дальномерный метод: определение положения потребителя путем измерения разности псевдодальностей до нескольких источников навигационного сигнала. 3) Радиально-скоростной (доплеровский) метод: определение положения потребителя путем измерения трех радиальных скоростей перемещения потребителя относительно трех источников навигационного сигнала.

37 Исследование характеристик интегрированной навигационной системы ГЛОНАСС/ GPS и ЛРНС с псевдоспутниками по значениям геометрического фактора Задачи исследования: - оценка целесообразности использования ГЛОНАСС/ GPS и ЛРНС с ПС -получение статистических характеристик, описывающих поведение интегрированного навигационного поля ГЛОНАСС/ GPS/ЛРНС за длительные интервалы времени, сравнимые с периодом повторяемости конфигурации навигационного поля СРНС; -получение оптимальной конфигурации сети ПС в зависимости от размеров зоны действия и координат аэропорта. Выводы: - использование системы псевдоспутников при определениях по системе GPS в принципе позволит обеспечить посадку ЛА по первой категории метеоминимума, если один из ПС работает в режиме локальной контрольно-корректирующей станции. - улучшение геометрических свойств рабочих созвездий НИСЗ системы GPS зависит как от числа псевдоспутников и их расположения относительно ЛА, находящегося в точке принятия решения, в частности, от направления из ЛА на ПС и от «базы» системы ПС, так и от координат аэропорта. Например, для аэропорта «Пулково» улучшение вертикального геометрического фактора и, следовательно, улучшение потенциальной точности измерения высоты, составляет более полутора раз.

38 Источники основных погрешностей в навигационно-временных измерениях Источник погрешностиПричина возникновения Средняя величина погрешности, м Эфемериды ошибка в определении положения и скорости спутника 4.5 Часы спутниканестабильность гетеродинов1.2 Ионосфера неоднородность диэлектрической проницаемости ионосферы 5 Тропосферарефракция в тропосфере7 Приемник аппаратная ошибка измерения псевдодальности в приемнике 0.2 Результирующая9.2 Использование псевдоспутников позволяет снизить погрешность определения псевдодальности до сантиметров за счет отсутствия ионосферной ошибки и уменьшения тропосферной и эфемеридной ошибки. Использование фазовых измерений позволяет уменьшить погрешность до 5 см.

39 Расчёт погрешности координат по шести ПС без использования НКА ГЛОНАСС/GPS Четыре ПС находятся в углах квадрата и расстояние между ними составляет 8 км. Два псевдоспутника ПС3 и ПС4 подняты на высоту 20 м и находятся внутри квадрата на расстоянии 4 км друг от друга. Погрешность измерения в плане в ближней зоне на высоте полета 1500 м составляет 5 см. Планарная погрешность [м] на высоте 1500 мВысотная погрешность [м] на высоте 1500 м

40 Расчёт погрешности координат по шести ПС без использования НКА ГЛОНАСС/GPS Четыре ПС находятся в углах квадрата и расстояние между ними составляет 8 км. Два псевдоспутника ПС3 и ПС4 подняты на высоту 20 м и находятся внутри квадрата на расстоянии 4км друг от друга. Погрешность измерения в плане в ближней зоне на высоте полета 30 м составляет м. Планарная погрешность [м] на высоте 30 мВысотная погрешность [м] на высоте 30 м

41 Расчёт погрешности определения координат с использованием НКА ГЛОНАСС/GPS и одного наземного ПС Пять НКА находятся на высоте км, четыре в углах квадрата со стороной км, а пятый расположен над ПС в центре квадрата. Результаты моделирования показывают, что даже добавление одного псевдоспутника дополнительно к аппаратам орбитальной группировки позволяет значительно (до 10 раз) увеличить точность позиционирования воздушного судна. Планарная погрешность [м] без использования ПС Планарная погрешность [м] с использованием дополнительного ПС

42 Анализ угроз подавления глобальных навигационных систем

43 Анализ угроз подавления GPS/ГЛОНАСС Низкий уровень сигнала GPS/ГЛОНАСС ( Вт или – 160 дБ*Вт) делает возможным подавление в большом радиусе даже маломощным помеховым излучателем. Устройства подавления GPS/ГЛОНАСС находятся в открытой продаже. Схемы устройств подавления находятся в сети Интернет. Источник помехи

44 Возможные источники непреднамеренных искусственных помех Диапазон частот мешающих сигналов (номер канала) (МГц) Источник мешающих сигналов Частоты GPS: 1227,6; 1575,42;1176,45 (МГц) Частоты ГЛОНАСС: ,5; ,5; 1242, ,75; ,25 ( MГц) 1533Радиолиния +– ~ 5003-я гармоника и 67 каналы ТВ2-я гармоника и 23 каналы ТВ3-я гармоника УКВ10-я гармоника и 121 УКВ12-я и 13-я гармоники ++ Сигналы запроса дальности РСБН 2-я гармоника частота кристалла 3-я гармоника+– 1575Немодулированная несущая +– > 1610GLOBALSTAR –+ 1240… Передача цифровых данных (пакетное радио) –+ 1242…1242.7Любительские радиорелейные станции –+ 1243…1260Любительские ТВ передатчики –+ 1250…1259РЛС УВД –+ 108…118 Помехи в полосах ЛПД ДПС ++

45 Требования к эксплуатационным характеристикам СРНС ОперацияТочность (95 %) ЦелостностьНепрерывностьПредельное расстояние для тревоги Время тревоги Доступность Полет над океаном 12,4 мор миль /час /час4,0 мор. миль2 мин.от 0,99 до 0,99999 На маршруте2,0 мор. миль /час /час2,0 мор. миль1 мин.от 0,99 до 0,99999 Зона аэропорта 0,4 мор. миль /час /час1,0 мор. миль30 сот 0,99 до 0,99999 NPA220 м /час /час0,3 мор. миль10 сот 0,99 до 0,99999 APV I220 м (H) 220 м (V) /заход /15 с0,3 мор. миль (H) 50 м (V) 10 сот 0,99 до 0,99999 APV II16 м (H) 8 м (V) /заход /час 15 с 40 м (H) 20 м (V) 6 сот 0,99 до 0,99999 Категория I16 м (H) 4,0-6,0 м (V) /заход /15 с40 м (H) м (V) 6 сот 0,99 до 0,99999 Категория II6,9 м (H) 2,0 м (V) /заход 15 с /15 с17,3 м (H) 5,3 м (V) 1 сот 0,99 до 0,99999 Категория III6,2 м (H) 2,0 м (V) /заход 15 с /30 с (L) /15 с (V) 15,5 м (H) 5,3 м (V) 1 сот 0,99 до 0,99999

46 Предложения Межгосударственного совета «Радионавигация» 28 апреля 2004 г. Совет считает необходимым уделить особое внимание решению проблемы обеспечения гарантированной работы спутниковых средств навигации в условиях непреднамеренных и организованных помех, для чего продолжить работы по комплексному использованию спутниковой информации и данных других радиотехнических навигационных систем. Совету представляется необходимым создание комплекса мер, среди которых комплексное использование информации СРНС и автономного оборудования (инерциальные и другие средства определения координат). Интегрирование радионавигационных систем (спутниковых и наземных) является одним из перспективных направлений развития систем радионавигации. Совет постановил рекомендовать потребителям спутниковой информации транспортного комплекса РФ обратить внимание на необходимость усиления внимания к вопросам комплексного использования спутниковой информации и данных автономных и других радиотехнических навигационных систем.

47 Возможности развития системы псевдоспутников для обеспечения помехоустойчивых навигационных полей быстрого развертывания

48 Увеличение длины псевдослучайной последовательности. Динамическое изменение кода. Скачки по частоте. Динамическое изменение мощности передатчика в зависимости от внешних условий. Управление лучом передатчика с помощью коммутируемых антенн или направленных антенн с механическим сканированием. Для дополнительного повышения устойчивости сигналов псевдоспутника к внешним помехам могут быть использованы дополнительные методы, например: