Table Of ContentМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ЕОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО
ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ имени академика С.П. КОРОЛЁВА
(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)»
А. В. КРАМЛИХ
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИМИТАТОРА СИГНАЛОВ СН-3803М
ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ СПУТНИКОВОЙ
РАДИОНАВИГАЦИИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
САМАРА
Издательство СГ АУ
УДК 629.78(075)
ББК 39.6я7
K ill
Рецензенты: д-р техн. наук, проф. В. П. Макаров;
д-р техн. наук, проф. И. А. Тимбай
КрамлихА. В.
К 777 Использование имитатора сигналов СН-3803М для моделирования
спутниковой радионавигации летательных аппаратов [Текст]: учеб.
пособие /А. В. Крамлих. - Самара: Изд-во СГАУ, 2013. - 84 с.
ISBN 978-5-7883-0929-3
В учебном пособии рассмотрены вопросы использования имитатора сигналов
СН-3803М для моделирования спутниковой радионавигации летательных аппаратов.
Предназначено для магистрантов, обучающихся по направлениям 010900 «При
кладные математики и физика» (магистерская программа «Космические информаци
онные системы и наноспутники. Навигация и дистанционное зондирование»),
160400 «Ракетные комплексы и космонавтика» (магистерская программа «Перспек
тивные космические технологии и эксперименты в космосе»), при выполнении лабо
раторных, курсовых работ, при дипломном проектировании, при выполнении выпу
скной квалификационной работы магистра, а также в научных исследованиях в об
ласти использования спутниковых радионавигационных технологий.
УДК 629.78(075)
ББК 39.6я7
ISBN 978-5-7883-0929-3 © Крамлих А.В., 2013
© Самарский государственный
аэрокосмический университет, 2013
ВВЕДЕНИЕ
Определение пространственного положения и скорости потреби
теля - это основа для решения задачи управления подвижным потре
бителем. Решение задачи навигации с использованием спутниковых
радионавигационных систем в настоящее время получила большое
распространение благодаря глобальности, оперативности и всепогод-
ности решения указанной задачи для различных потребителей, в том
числе и для высоко динамичных (самолёт, космический аппарат). Од
нако при применении спутниковых радионавигационных систем не
обходимо учитывать динамику движения потребителя, естественные и
искусственные условия распространения радиоволн, а также собст
венную геометрию подвижного объекта.
Влияние указанных факторов на решение навигационной задачи
целесообразно исследовать с использованием специализированного
оборудования и программного обеспечения. Данный подход не только
позволит проектировать навигационную аппаратуру потребителей с
учётом его динамики и конструктивных особенностей, но и тестиро
вать алгоритмическое навигационное обеспечение, не прибегая к лёт
ному эксперименту.
В данном учебном пособии изложены вопросы моделирования
спутниковой радионавигации летательных аппаратов с использовани
ем имитатора сигналов СН-3803М и специализированного програм
много обеспечения - «Среда создания сценариев».
Учебное пособие состоит из трёх глав. Первая глава основана на
материалах интерфейсных контрольных документов спутниковых
радионавигационных систем ГЛОНАСС/GPS [1,2], радионавигацион
ных планов Российской Федерации [3] и США [4], справочных посо
бий [5,6,7,8]. Рассмотрены основы спутниковой радионавигации: тре
бования к спутниковым радионавигационным системам, структура
спутниковых радионавигационных систем, источники погрешностей
радионавигационных измерений, спутниковые радионавигационные
системы ГЛОНАСС и GPS.
Во второй главе, написанной на основе руководства оператора
специализированного программного обеспечения рабочей стан
ции [10], рассмотрена среда создания сценариев: приведены основ
3
ные сведения об имитаторе, структура сценария, вопросы формиро
вания навигационного поля спутниковых радионавигационных сис
тем и процедура реализации сценария.
В третьей главе, написанной на основе научного издания [11],
приведено решение ряда задач, необходимых для верификации рабо
ты навигационной аппаратуры потребителя.
4
1. ОСНОВЫ СПУТНИКОВОЙ РАДИОНАВИГАЦИИ
В настоящее время функционирующими являются две спутнико
вые радионавигационные системы (СРНС): Глобальная навигационная
спутниковая система (ГЛОНАСС, Россия) [1] и Глобальная система
позиционирования (GPS, США) [2].
В названии российской СРНС (ГЛОНАСС) отражено более широ
кое поле применения такой системы.
В названии американской СРНС в противовес термину навигаци
онный введен термин позиционирование как наиболее адекватный за
просам широкого круга пользователей.
В настоящее время спутниковые радионавигационные технологии
(СРНТ), развивающиеся на базе использования СРНС, являются са
мым быстро развивающимся сегментом использования результатов
космической деятельности для повышения качества жизни людей и
динамичного развития различных секторов экономики.
Основным достоинством СРНС является их глобальность, опера
тивность, всепогодностъ.
1.1. Требования к спутниковым радионавигационным системам
До последнего времени создание спутниковых радионавигацион
ных навигационных систем осуществлялось в соответствии с требо
ваниями, определяемыми их первоначальным целевым предназначе
нием. Общими при этом были качественные требования глобально
сти, независимости от гидрометеорологических условий, подсти
лающей поверхности, рельефа местности, окружающей растительно
сти, застройки, времени суток и года, непрерывности, неограничен
ной пропускной способности, практической независимости от высоты
над поверхностью земли и других условий движения определяюще
гося объекта, помехозащищенности и др.
Однако использование спутниковых систем в интересах местооп-
ределения и навигации гражданских объектов (самолетов и вертоле
тов, морских и речных судов, автомобилей, топопривязчиков и др.)
выдвигает и новые, более высокие требования, вытекающие из необ
ходимости обеспечения безопасности и экономичности движения, а
также решения специальных задач (наблюдение, аэрофотосъемка,
поиск полезных ископаемых, поиск и спасение терпящих бедствие
транспортных средств и людей).
5
Требования к точностным характеристикам, таким как средне
квадратические ошибки определения навигационных параметров, по
казателям надежности навигационного обеспечения и др. следующие:
• доступность (готовность), мерой которой является вероятность
работоспособности навигационных систем перед выполнением
той или иной задачи и в процессе ее выполнения;
• целостность, мерой которой является вероятность выявления от
каза в течение времени, равного заданному или менее;
• непрерывность обслуживания, мерой которой служит вероят
ность работоспособности системы в течение наиболее ответст
венных отрезков времени движения (выполнения задачи).
Требования к навигационному обеспечению различных граждан
ских объектов, реализуемому, в частности, с помощью СРНС, впер
вые в Российской Федерации сформулированы, обобщены и приведе
ны в Радионавигационном плане Российской Федерации [3], подго
товленном с участием специалистов заинтересованных ведомств и
служб.
Они учитывают также положения документов таких международ
ных организаций, как ИКАО (Международная организация граждан
ской авиации), ИМО (Международная морская организация), а также
ряда национальных радионавигационных планов других стран, на
пример, США [4].
Требования авиационных потребителей
В воздушном транспорте определены следующие фазы (этапы)
полета воздушных судов:
• взлет и выход в исходный пункт маршрута (трассы);
• полет по маршруту (маршрутный полет);
• полет в зоне аэродрома (терминальный полет);
• некатегорированный (неточный) заход на посадку;
• заход и посадка по категориям ИКАО.
Требования к навигационному обеспечению на каждом этапе раз
личны.
Для маршрутного этапа полета воздушных судов установлены ка
тегории районов (зон):
• океаническая (безориентирная местность);
• внутренняя континентальная (местная) линия;
• зоны выполнения специальных задач.
6
Первоначально сформулированные требования воздушных потре
бителей к точности определения места при заходе на посадку и по
садке по категориям ИКАО, а также при полете по маршруту и в зоне
аэродрома в зависимости от решаемых задач приведены соответст
венно в табл. 1.1 и 1.2.
Таблица 1.1. Требования воздушных потребителей при заходе и посадке
по категориям
Высота над взлетно- Требования к погрешностям (СКП)
Категория посадочной полосой боковая ошибка вертикальная ошибка
посадки (ВПП) для проверки, (м) (м) (м)
I 30,0 4,5-8,5 1,5-2,0
II 15,0 2,3-2,6 0,7-0,85
III 2,4 2,0 0,2 - 0,3
Таблица 1.2. Требования воздушных потребителей к точности определения
координат для различных решаемых задач__________________________
Решаемые задачи Зона полета Точность определения
координат (СКП), м
Полет воздушного судна: 1. Над океаном (без- 5800
а) полет по маршруту ориентирная мест
ность)
2. Воздушные трассы 2500
шириной 20 км
3. Воздушные трассы 1250
шириной 10 км
4. Местные воздушные 500
линии:
• I категории 250
• II категории 230
5. Воздушные трассы
при использовании
метода зональной
навигации
б) полет в зоне аэродрома 200
в) некатегорированный (не 50
точный) заход на посадку
г) специальные полеты, в 1...10
том числе для решения гео
физических и геодезических
задач, разведки полезных
ископаемых, поиска и спасе
ния, аэрофотосъемки и т.д. с
обеспечением возможности
определения площадей уча
стков территорий при облете
по контуру
7
Требования воздушных потребителей позднее были развиты и до
полнены требованиями к доступности, целостности и непрерывности,
которые зависят от этапов полета, интенсивности движения и приво
дятся в составе требуемых навигационных характеристик RNP.
Требуемые навигационные характеристики (RNP)
Непрерывный рост объемов авиаперевозок предъявляет постоянно
возрастающие требования к пропускной способности воздушного
пространства и обуславливает необходимость его оптимального ис
пользования. Эти факторы, в том числе возможность обеспечения
эксплуатации за счет использования спрямленных маршрутов, а также
повышенная точность современных навигационных систем, предо
пределили появление концепции RNP.
Концепция RNP определяет характеристики средств навигации в
пределах определенного района воздушного пространства, и поэтому
оказывает влияние как на воздушное пространство, так и на воздуш
ное судно.
Специальный комитет ИКАО по будущим аэронавигационным
системам отметил, что наиболее широко использовавшийся в про
шлом метод обеспечения требуемых навигационных возможностей
основывался на обязательном наличии определенного состава обору
дования. Такой подход ограничивал оптимальное применение совре
менного бортового оборудования. Кроме того, с появлением спутни
ков в дальнейшем использование этого метода возлагает на ИКАО
решение сложной задачи, связанной с выбором оборудования. Для
преодоления этих проблем комитет разработал концепцию требуемых
навигационных характеристик (RNP).
Они предназначены характеризовать воздушное пространство с
помощью показателя точности выдерживания навигационных харак
теристик (типа RNP), которая должна обеспечиваться в пределах этого
воздушного пространства.
Считается, что тип RNP определяет точность выдерживания нави
гационных характеристик всеми пользователями и при всех сочетани
ях навигационных систем в пределах некоторого воздушного про
странства.
RNP могут устанавливаться для маршрута, ряда маршрутов, рай
она, объема воздушного пространства, которые выбираются специа
листами по воздушному планированию или полномочными органами.
Установленные RNP при этом будут определять необходимый
уровень бортового оборудования и инфраструктуру воздушного про
странства.
Определены 6 типов RNP при полетах по маршрутам на основе
точности выдерживания навигационных характеристик с вероятно
стью 95%:
• RNP1 = 1,85 км (1,0 морская миля);
• RNP4 = 7,4 км (4,0 морских мили);
• RNP5 = 9,2 км (5,0 морских мили);
• RNP10 =18,5 км(10 морских миль);
• RNP12,6 = 23,3 км (12,6 морских мили);
• RNP20 = 37,0 км (20,0 морских миль).
Тип RNP1 предусматривается для обеспечения наиболее эффек
тивных полетов по маршрутам организации воздушного движения
(ОВД) в результате использования наиболее точной информации о
местоположении, а также для обеспечения полетов и организации
воздушного пространства при переходе из зоны аэродрома к требуе
мому маршруту и в обратном порядке.
Тип RNP4, RNP5 предназначается для маршрутов ОВД и схем
воздушного пространства, основанных на ограниченном расстоянии
между навигационными средствами. Этот тип предназначен для ис
пользования в континентальном воздушном пространстве.
Тип RNP10, RNP12,6 обеспечивает ограниченную оптимизацию
маршрутов в районе с пониженным уровнем обеспечения навигацион
ными средствами, в любом контролируемом воздушном пространстве
в любое время.
Тип RNP20 - это минимальный уровень, который должен обеспе
чиваться любым ВС в любом контролируемом воздушном простран
стве в любое время.
Требуемые навигационные характеристики (RNP) для посадки,
готовности (доступности) приведены [3].
Требования космических потребителей
Для перспективных космических аппаратов (КА) различного целе
вого назначения предусматривается значительное повышение эффек
тивности решения целевых задач с одновременным повышением ав
тономности их функционирования. Это вызывает резкое возрастание
требований к навигационному обеспечению (НО) КА, которые не мо
гут быть обеспечены традиционными наземными средствами НО и
требуют использования бортовых средств НО.
9
При этом навигационные приемники СРНС ГJ10HACC становятся
неотъемлемой частью бортового комплекса управления (БКУ) КА,
информация от которых используется как для уточнения орбитальных
параметров движения центра масс (ПДЦМ) КА, так и для планирова
ния целевых задач в БКУ.
Основные требования к точности определения ПДЦМ и ориента
ции перспективных КА бортовыми средствами навигационного обес
печения представлены в табл. 1.3, 1.4.
Таблица 1.3. Требования к точности бортовых средств навигационного
обеспечения перспективных КА
№ Погрешность определения ПДЦМ
Классы КА Примечание
п/п (3 СКП)
1 КА связи и не хуже 600 м по всем координа
ретрансляции там
2 КА навигационного 15м- вдоль орбиты и в боковом Погрешности снижаются
обеспечения направлении, 10 м - по высоте в соответствии с положе
ниями ФЦП «Глобальная
навигационная система»
3 КА геодезического 1 м вдоль орбиты и в боковом
обеспечения направлении, 1 м по высоте
4 КА системы обна 100 м по всем координатам
ружения терпящих
бедствие объектов
5 КА геофизического 50... 150 м по всем координатам
обеспечения
Из таблицы 1.3 следует, что наибольшие требования по точности
НО предъявляются к бортовым средствам КА навигационного и гео
дезического обеспечения, а по точности ориентации - к бортовым
средствам КА связи и навигации.
Требуемая точность - среднеквадратическая погрешность (СКП)
навигационного обеспечения других КА, разгонных блоков, орби
тальных станций составляет 20...30 м. Для выполнения ряда ответст
венных динамических операций КА (сближение КА, спуск и посадка
КА на Землю и т.п.), а также решения ряда высокоточных задач нави
гации, геодезии, геодинамики, картографии и др. с использованием
10
