Спутниковые системы и технологии позиционирования

Введение
Глобальная спутниковая навигационная система (ГНСС) –  это быстроразвивающаяся система, при помощи которое предоставляется возможность определять расположение в пространстве, указанных объектов местности при помощи специфической обработки принимающим устройством сигнала от спутника.
Развитие мировых ГНСС протекает очень стремительно, по пути повышения точности и доступности позиционирования, обеспечения целостности навигационного поля, а также увеличения спектра дополнительных доступных услуг. Существует два направления развития ГНСС, которые связаны с совершенствованием точности и надежности предоставляемых ими навигационных услуг:
Улучшение существующих (ГЛОНАСС, GPS) и создание новых глобальных спутниковых навигационных систем;
Развитие функциональных дополнений (ФД).
Актуальность данной темы обусловлена тем, что функциональные дополнения ГНСС помогают доставить до пользователя дополнительную информацию, которая значительно повышает точность и достоверность определения местоположения, какого либо объекта в пространстве, скорости его движения и времени. В Российской Федерации и в других странах разработаны и введены в эксплуатацию функциональные дополнения с многочисленными характеристиками и ведутся активные работы по улучшению существующих и созданию новых систем.
Выходная информация функциональных дополнений доводится до пользователя по специальным каналам связи. Она обычно содержит корректирующую информацию (для устранения или уменьшения погрешностей определения местоположения потребителей) и информацию о целостности ГНСС (для обеспечения достоверности результатов определения положения объекта в пространстве).
Цель работы: провести анализ общей информации по функциональному дополнению ГНСС, подробно рассмотреть систему WAAS, ее историю создания.


Функциональное дополнение ГНСС
Функциональным дополнением называется совокупность технических и программных устройств, которые необходимы для обеспечения потребителя глобальной навигационной спутниковой системы дополнительной информацией, направленной на повышение точности и достоверности определения, какого либо объекта в пространстве, составляющих скорости движения и поправки часов и гарантирующей высокую эффективность работы данной системы.
На сегодняшний день разработаны и введены в эксплуатацию три вида систем функциональных дополнений:
Бортовые, которые не требуют для своей работоспособности наземного или космического оборудования,
Наземные, для которых необходимы расположенные на Земле дифференциальные корректирующие станции,
Спутниковые, для работоспособности, которых, необходимы специальные спутники, передающие на борт ВС необходимую информацию.
Бортовые функциональные дополнения ABAS (Aircraftbased augmentation system) это определенная совокупность алгоритмов работы приемника, благодаря работы которых происходит мониторинг целостности (AIM, autonomous integrity monitoring). Разработаны два вида данного мониторинга - RAIM и AAIM. В их основе заложено использованине избыточной навигационной информации.
RAIM (Reciever Autonomous Integrity Monitoring) - автономный контроль целостности в приемнике.
Основные цели данной системы:
Своевременное обнаружение некорректно работающего спутника и исключение его из обработки для навигационных определений;
Оценка погрешности функции определения координат и подача сигнала экипажу, если выявленная погрешность превышает допустимую норму;
Прогноз целостности, то есть расчет геометрии расположения на местности исправно работающих спутников и точности навигационных определений в любой определенной точке в конкретное время для передачи сигнала экипажу о том, что требуемая точность и надежность навигации по СНС в этой точке не будут производится должным образом.
AAIM (Aircraft Autonomous Integrity Monitoring) - бортовой автономный мониторинг целостности. Он приходится альтернативным вариантов системы RAIM. В данном случае избыточная информация передается в приемник не от спутников, а от специальных бортовых систем. Чаще всего в его работе применима информация о координатах ВС от инерциальных систем или полученная по двум дальномерным радиомаякам (DME/DME)

. Обычно в бортовой приемник поступает барометрическая высота от системы воздушных сигналов.
В Руководстве по PBN обозначены определенные требования к эксплуатации бортовой системы функционального дополнения (ABAS):
Уровни RAIM можно проверить либо посредством NOTAM (где таковые выпускаются), так же при помощи прогнозирования. Эксплуатационный орган может выдвинуть некоторые рекомендации относительно того, как соблюдать текущее требование (к примеру, если имеется необходимое число спутников, прогнозирование может не потребоваться). В конечной точке необходима, информация о данных прогнозирования, которые существуют для намеченного маршрута. В прогнозе готовности RAIM необходимо учитывать последние NOTAM о созвездиях GPS и модель бортового радиоэлектронного оборудования (если таковая известна). Такое обслуживание может быть предоставлено ПАНО, изготовителем бортового радиоэлектронного оборудования, другими организациями или с помощью функции прогнозирования RAIM бортового приемника. В случае прогнозируемой, непрерывной потери соответствующего уровня обнаружения отказов в течение более 5 мин для любого участка полета … план полета следует пересмотреть (например, задержать вылет или запланировать другую схему вылета).
В настоящее время в документах ИКАО и других международных организаций отсутствуют стандарты, предъявляющие требования к алгоритмам ABAS и к уровню целостности, который они должны обеспечить. Поэтому производители бортовых приемников решают эту задачу по своему усмотрению. По некоторым оценкам RAIM и AAIM обеспечивают целостность на уровне . Но в современной навигации требования к точности и целостности иногда столь высоки (порядка ), что использование СНС в обычном режиме даже при наличии RAIM или AAIM не может их обеспечить. В этом случае используются спутниковые или наземные системы функциональных дополнений, которые основаны на дифференциальном методе определения координат.
Функциональные дополнения СНС, основанные на дифференциальном методе, разделяются на спутниковые и наземные в зависимости от того, каким образом поправки передаются на борт ВС.
Спутниковые системы функционального дополнения SВАS (SatelliteBased Augmentation System) поддерживают увеличение точности сигнала за счет использования спутниковой трансляции сообщений. Такие системы обычно состоят из нескольких наземных станций, координаты расположения которых известны с высокой степенью точности. (рис. 1). SBAS позволяет осуществлять заходы на посадку с горизонтальным и вертикальным наведением, по критериям APV I /II. (Approach with vertical guidance).


WAAS Система функционального дополнения с широкой зоной действия.
Примером исполнения SВАS является WААS (Wide Area Augmentation System - Система функционального дополнения с широкой зоной действия), созданная в США. В настоящее время система WAAS обеспечивает дифференциальным сервисом территории Канады и Мексики и значительную часть акватории Тихого Океана. Спутники передают GPS-подобный сигнал, а также поправки к эфемеридам, времени, параметрам ионосферной модели.

Рис. 1. Спутниковая система функционального дополнения
Система WAAS создана для достижения возможности использования GPS на всех этапах полета ВС, включая точный заход на посадку по I категории. Погрешности определения координат имеют порядок 34 метров (Р = 0,95).
WAAS - глобальная американская система распространения дифференциальных поправок. Система начала стабильную работу в 2002 году, запущена официально в 2004. Разработана в США для повышения точности позиционирования и достоверности информации навигационных GPS систем. В первую очередь используется в авиации. ICAO именует системы данного типа Satellite Based Augmentation System (SBAS). В Европе и Азии на основе WAAS созданы и применятся аналогичные системы.
Сигналы WAAS транслируются с нескольких геостационарных спутников над территорией США, и принимаются GPS-навигаторами с помощью одного или нескольких из каналов