Разработка программно-алгоритмического обеспечения системы мониторинга глобальных навигационных спутниковых систем

Развитие космической техники в последние годы дало возможность подняться на совершенно новую ступень при решении различного рода задач. При судовождении, управлении полетом самолета, космического аппарата (КА) и других движущихся объектов, геодезии, определении состояния различных объектов требуется знание положения потребителя в пространстве и его скорости.

В 90-е годы были развернуты глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС): в США — это система GPS, а в России — ГЛОНАСС. В настоящее время в Европе планируется развернуть систему GALILEO. В соответствии с основами государственной политики России, США и Евросоюза в отношении систем координатно-временного и навигационного обеспечения (КВНО), глобальные навигационные спутниковые системы и их функциональные дополнения являются ключевым элементом средств КВНО. Системы координатно-временного и навигационного обеспечения относятся к критической инфраструктуре государства, обеспечивающие: национальную безопасность, экономическую независимость и социально-экономическое развитие. Поэтому существует необходимость поддержания характеристик ГНСС на требуемом уровне.

Следует отметить, что услуги ГНСС уже входят в повседневную жизнь и скоро станут такой же неотъемлемой частью существования как телефонная или мобильная связь. И прекращение или приостановка предоставления услуг ГНСС может привести к существенным проблемам и необратимым последствиям в различных областях применений, особенно в областях обороны, применений с повышенными требованиями к безопасности типа авиации, морского и речного флота, железнодорожного транспорта и общетранспортной инфраструктуры. Потребители (в том числе военные) используют и будут использовать услуги различных ГНСС, в том числе эксплуатируемых операторами других государств. Причем не исключен вариант введения в особый период в отдельных районах селективного доступа и ограничений для использования услуг ГНСС для определенных категорий потребителей.

Возросший уровень требований к навигационному обслуживанию и значительное расширение областей использования ГНСС привели к появлению принципиально новых требований к качеству навигационных услуг. В первую очередь, выросли требования к их точности, надежности, доступности и достоверности. В рамках штатных схем управления навигационными системами ГЛОНАСС и GPS, первоначально создававшихся, в первую очередь, для решения оборонных задач, уже невозможно в полном объеме обеспечить выполнение требований всех категорий пользователей. При решении этой проблемы в навигационных системах GPS, ГЛОНАСС и в проектируемой системе GALILEO многократно выросла роль так называемых функциональных дополнений — постоянно действующих служб, выполняющих, в частности, мониторинг качества функционирования ГНСС и передающих пользователям дополнительную информацию, позволяющую последним повысить точность и достоверность решения задачи определения координат.

Главная цель таких служб — это выявить отклонения от штатного функционирования ГНСС и своевременно информировать об этом пользователей. Для пользователей системы GPS такие службы уже организованы и функционируют в некоторых регионах (например, WAAS, EGNOS, MSAS, LAAS, GRAS и т. д.).

На сегодняшний день в России нет систем, способных обеспечить любого потребителя информацией о качестве функционирования космических навигационных систем с необходимой достоверностью, оперативностью и полнотой. Существующие системы функционируют в экспериментальном режиме и являются локальными, основываясь на наблюдениях, проводимых на единственном пункте. Задача системного контроля качества функционирования ГНСС ГЛОНАСС и GPS на территории Российской Федерации не решена.

Одной из важнейших государственных задач является необходимость своевременного получения информации о реальных характеристиках используемых ГНСС. Другой задачей, напрямую связанной с первой, является необходимость поддержания характеристик ГНСС на требуемом уровне. Для решения этих задач необходимо проводить мониторинг состояния радионавигационного поля (РНП) ГНСС. Мониторинг состояния РНП ГНСС предназначен для осуществления контроля параметров глобальных навигационных спутниковых систем на предмет их соответствия заданным тактико-техническим характеристикам (ТТХ) и требованиям потребителей.

Длительные теоретические и прикладные исследования точностных характеристик действующих систем, физики флуктуаций орбит навигационных спутников и условий распространения радиосигналов, а также использование достижений современной технологии, позволяют создать новые высоконадежные спутники, достоверно спрогнозировать их орбиту, точно скомпенсировать погрешности аппаратуры и погрешности распространения навигационных сигналов. Все это в целом обеспечит необходимую точность в навигационных системах нового поколения. Однако по-прежнему останется открытым вопрос обнаружения внезапного ухода точностных параметров системы из-за воздействия случайного возмущающего фактора и оповещения об этом конечного потребителя за время порядка 1 сек. К тому же реальные условия распространения сигнала не всегда соответствуют среднестатистическим, на которые рассчитаны пусть высокоточные, но априорные модели ионосферы и тропосферы.

Внутрисистемный мониторинг целостности не отвечает требованиям оперативности, поскольку между моментом возникновения неисправности НКА и моментом установки признака «не здоров» в навигационном сообщении может пройти несколько часов.

Поэтому для любой навигационной системы проблема точного и оперативного мониторинга навигационных параметров останется актуальной.

Полученные результаты последних исследований показали, что наиболее точное определение параметров эфемеридно — временного обеспечения навигационных систем и точная реконструкция текущего состояния среды распространения радиосигналов в виде многомерной пространственно-временной модели с высокой разрешающей способностью возможны при организации измерений на пространственно разнесенных пунктах. При этом оптимальные характеристики достигаются при организации глобальной системы мониторинга.

Таким образом, главная цель служб мониторинга — это выявление ситуаций нештатного функционирования ГНСС и своевременное информирование о них пользователей.

При проведении мониторинга состояния радионавигационного поля можно выделить следующие основные задачи:

• мониторинг в реальном времени;

• мониторинг текущего состояния ГНСС (суточный контроль);

• апостериорный мониторинг, позволяющий провести глубокий анализ поведения характеристик ГНСС с выяснением причин отклонений от ТТХ;

• прогноз состояния РНП ГНСС;

• мониторинг согласующих параметров, обеспечивающих эффективное совместное использование разных систем: ГЛОНАСС, GPS, GALILEO. Некоторые постановки задачи построения мониторинга состояния РНП.

ГНСС обсуждались в работах Бартенева В. А., Дворкина В. В., Почукаева В. Н., Урличича Ю. М., Dach R., Lobert В., Trautenberg Н., Pielmeier J., Vogler Т., Hugentobler U. и ряда других авторов. В этих работах были исследованы вопросы прогнозирования радионавигационного поля ГНСС. Также частично была решена задача проведения апостериорного мониторинга. Но при проведении апостериорного мониторинга не предоставлялась возможность подробного исследования причин отклонений РНП от заданных требований. Из-за новизны задачи не исследована проблема мониторинга согласующих параметров, обеспечивающих эффективное совместное использование разных систем: ГЛОНАСС, GPS, GALILEO.

Одной из задач мониторинга состояния радионавигационного поля ГНСС является определение «целостности» навигационной системы. Под «целостностью» понимается способность системы информировать потребителей своих услуг о качестве этих услуг. В более узком смысле, целостностью навигационной системы называется ее способность информировать потребителей об ухудшении точности навигационных определений. При этом считается, что навигационная система в стандартных условиях обеспечивает некий заранее известный уровень точности навигационных определений. В том случае, когда ошибки навигационных определений превышают этот уровень, потребитель должен быть оповещен о следующем:

1) о факте несоответствия ошибок навигационных определений некоему уровню;

2) о текущем уровне ошибок навигационных определений.

Таким образом, контроль качества функционирования навигационных систем, или другими словами, контроль уровня текущих ошибок навигационных определений называется контролем (мониторингом) целостности.

Поэтому систему, контролирующую качество функционирования ГНСС ГЛОНАСС и GPS, можно назвать системой мониторинга целостности систем ГЛОНАСС и GPS.

В русскоязычной технической литературе часто встречается термин «навигационное поле», аналога которому в англоязычной литературе нет. Понятие «навигационное поле» означает некое пространство, в каждой точке которого содержится определенная, меняющаяся во времени информация (электромагнитные колебания с известными характеристиками вместе с закодированными цифровыми данными). Навигационное поле в каждой точке пространства формируется совокупностью сигналов навигационных космических аппаратов (НКА).

Таким образом, наряду с термином «мониторинг целостности навигационных систем» можно встретить термин «мониторинг целостности навигационных полей». Оба термина идентичны по значению. А система, контролирующая качество функционирования ГНСС ГЛОНАСС и GPS может называться как «системой мониторинга ГНСС», так и «системой мониторинга навигационных полей ГНСС».

Необходимо отметить, что решение задачи проведения мониторинга состояния ГНСС является актуальным для большого числа потребителей. В первую очередь необходимо отметить группу потребителей с повышенными требованиями к безопасности: авиация, морской и речной флот, железнодорожный транспорт. Во-вторых, следует отметить операторов ГНСС, предоставляющих навигационную информацию. И, в-третьих, результаты мониторинга используются для оперативного устранения причин отклонений реальных характеристик от ТТХ. Также результаты решения задачи мониторинга могут применяться в процессе мониторинга услуг ГНСС, для применений с повышенными требованиями к безопасности, для подтверждения («валидации») заявленных характеристик ГНСС и при анализе причин сбоев и выработке мероприятий по улучшению характеристик, определении направлений модернизации ГНСС заказчиками систем.

Цель работы. Целью диссертационной работы является формирование концепции построения системы мониторинга радионавигационных полей глобальных навигационных спутниковых систем, определение структуры системы мониторинга и разработка необходимого методического и алгоритмического обеспечения системы мониторинга. Мониторинг включает в себя мониторинг реального времени, апостериорный мониторинг и прогноз характеристик ГНСС.

Применение разработанной системы мониторинга позволит обеспечить целостность существующих и разрабатываемых навигационных систем, провести сертификацию услуг и определить характеристики ГНСС, а также выработать рекомендации по восполнению и модернизации ГНСС.

Объекты исследования. Объектами исследования являются: принципы построения системы мониторинга радионавигационных полей ГНСС, определение структуры системы мониторинга, его алгоритмическая и программная реализация.

Методы исследования. При разработке и реализации системы мониторинга используются статистические методы обработки данных, методы оптимальной фильтрации и оптимального управления, адаптивные методы обработки информации. При программной реализации математического обеспечения мониторинга используются методы объектно-ориентированного программирования и мультизадачность операционных систем Windows, Linux, системы управления реляционными базами данных, а также средства обеспечения доступа в Интернет.

Научная новизна. Новыми научными результатами в диссертации являются:

1. Концепция мониторинга состояния радионавигационных полей глобальных навигационных спутниковых систем.

2. Методическое и математическое обеспечение мониторинга реального времени, включающего функции определения целостности существующих и проектируемых навигационных систем.

3. Методическое и математическое обеспечение апостериорного мониторинга, позволяющего провести глубокий анализ характеристик ГНСС.

4. Математическое обеспечение прогнозирования состояния радионавигационного поля ГНСС.

5. Система мониторинга согласующих параметров, обеспечивающих эффективное совместное использование различных навигационных систем, в том числе ГЛОНАСС, GPS и проектируемой GALILEO.

Достоверность результатов. Достоверность разработанного методического и математического обеспечения мониторинга состояния радионавигационных полей глобальных навигационных спутниковых подтверждается использованием в реальных условиях и сравнением некоторых результатов с данными, полученными в центрах: BKG (Federal Bureau for Cartography and Geodesy), CODE (Center of Orbit Determination University of Berne), ESA/ESOC (European Space Operations Center), GFZ (Geoforschungszentrum Potsdam), JPL (Jet Propulsion Laboratory).

Практическая значимость. Решаемая в диссертации задача проведения мониторинга состояния ГНСС отражает практическую потребность улучшения качества навигационного обслуживания и, следовательно, обеспечения национальной безопасности, экономическую независимость и социально-экономическое развитие. Создан и сдан в эксплуатацию программно-аппаратный комплекс мониторинга РНП и оценки эфемеридно-временной информации в Информационно-аналитическом центре ЦУП ЦНИИмаш.

Практическая значимость полученных в работе результатов состоит в том, что на основе разработанного методического и математического обеспечения появляется возможность:

• проведения мониторинга состояния радионавигационных полей глобальных навигационных спутниковых систем;

• определения целостности существующих и проектируемых навигационных систем и их функциональных дополнений;

• обеспечения апостериорного мониторинга, позволяющего провести глубокий анализ характеристик различных ГНСС и их дополнений;

• обеспечения прогнозирования состояния радионавигационного поля ГНСС;

• мониторинга согласующих параметров, обеспечивающих эффективное совместное использование различных навигационных систем, в том числе ГЛОНАСС, GPS и проектируемой GALILEO.

Концепция оперативного мониторинга реализуется: в системе СДКМ — российская широкозонная система дифференциальных коррекций и мониторинга (головной разработчик — РНИИ КП) в системе GALILEO — подсистема глобального мониторинга (Европейское космическое агентство).

Результаты апостериорного мониторинга использованы при оценке результатов летных испытаний КА «ГЛОНАСС-М» и вошли в заключение ЦНИИмаш и доложены на заседании Госкомиссии в 2005 году. Результаты прогноза состояния использованы в эскизном проекте МГНСС ГЛОНАСС с КА «ГЛОНАСС-К» (головной разработчик — НПО ПМ). Также был получен Сертификат на комплекс программно-аппаратных средств для анализа эфемеридно-временной информации и параметров РНП ГНСС.

Результаты диссертационной работы внедрены и используются при проведении научно-исследовательских работ в ряде ведущих аэрокосмических предприятий России и в высших учебных заведениях: НПО ПМ, РНИИ КП, МАИ, НИИ ПП, ЦНИИмаш, что подтверждается соответствующими актами о внедрении.

Апробация работы. Основные результаты диссертации опубликованы и обсуждены на следующих конгрессах, конференциях, чтениях и семинарах: на международных конгрессах по навигации, проводимых Институтом Навигации ION (The Institute of Navigation) в 1997, 1998, 2005 гг., на международных конференциях GNSS в 1997,2003, 2004 гг., на 3 международном симпозиуме по использованию GPS, проводившимся в Сантьяго в 2002 г., на 53 конгрессе по астронавтике, проводившимся в Хьюстоне в 2002 г., на симпозиуме IGS в 2004 г. (Берн), на 8, 9 и 10 международных конференциях «Системный анализ, управление и навигация», проводившихся в Евпатории в 2003, 2004, 2005 гг.

Личный вклад и публикации. Все результаты, приведенные в диссертации, получены лично автором, основные из них опубликованы в 30 работах, в том числе в 26 печатных работах.

На защиту выносятся:

• концепция построения системы мониторинга состояния радионавигационных полей глобальных навигационных спутниковых систем;

• структура системы мониторинга реального времени для существующих и перспективных глобальных навигационных спутниковых систем;

• методическое и алгоритмическое обеспечение мониторинга реального времени, обеспечивающее: о определение параметров, характеризующих целостность ГНСС о определение точностных характеристик эфемеридно-временного обеспечения о определение доступности навигационных услуг;

• методическое и алгоритмическое обеспечение апостериорного мониторинга, обеспечивающее: о определение параметров, характеризующих качество навигационных услуг о уточнение параметров орбит и часов навигационных спутников о построение системной шкалы времени о уточнение параметров вращения Земли о уточнение параметров согласования систем координат о уточнение параметров согласующих параметров шкал времени различных навигационных систем (GPS, ГЛОНАСС, GALILEO);

• методическое и алгоритмическое обеспечение прогноза состояния глобальных навигационных спутниковых систем, осуществляющее определение: о оценки эволюции орбитальных группировок о оценки качества навигационных услуг.

• структура и методическое обеспечение программно-аппаратного комплекса мониторинга и оценки эфемеридно-временного обеспечения ГНСС, сданного в штатную эксплуатацию в Информационно-аналитический центр ЦУП ЦНИИмаш.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 111 наименований. Общий объем работы составляет 167 страниц, в том числе 28 рисунков и 6 таблиц.

Выводы по диссертации.

На основе результатов, полученных в диссертации, можно сделать следующие выводы:

1. Разработана концепция мониторинга состояния радионавигационных полей глобальных навигационных спутниковых систем. На основе предложенной концепции разработано методическое, математическое и программное обеспечение мониторинга состояния РНП ГНСС.

2. Разработано методическое, математическое и программное обеспечение мониторинга реального времени, реализующего функции определения целостности существующих и проектируемых навигационных систем и их функциональных дополнений.

3. Разработано и апробировано методическое, математическое и программное обеспечение апостериорного мониторинга, позволяющего провести глубокий анализ характеристик различных ГНСС и их функциональных дополнений.

4. Разработано математическое и программное обеспечение прогнозирования состояния радионавигационного поля ГНСС, позволяющее вычислить оценку доступности навигационных услуг, определить оптимальную программу развертывания системы при неполной группировке и оценить эволюцию орбитальных группировок.

5. Предложена и разработана методика и математическая модель системы мониторинга согласующих параметров, обеспечивающих эффективное совместное использование различных навигационных систем: ГЛОНАСС, GPS и GALILEO. Данная модель предполагает согласование как используемых систем координат, так и временных системных шкал. Согласующие параметры передаются непосредственно потребителям навигационных систем.

6. Разработана структура и методическое обеспечение программно-аппаратного комплекса мониторинга и оценки эфемеридно-временного обеспечения ГНСС, сданного в штатную эксплуатацию в Информационно-аналитический центр ЦУП ЦНИИмаш.