Навигационная система для Европы

Леонид Невдяев, Евгений Уткин

Долгие годы все, что связано с высокоточным определением подвижных объектов, оставалось уделом "привилегированных" систем; эти способы использовались исключительно в мореплавании, воздушной авиации и при картографировании. Создание систем GPS и ГЛОНАСС коренным образом изменило ситуацию. Сегодня приемники GPS/ГЛОНАСС прочно вошли в нашу жизнь, а определение местоположения стало привычной услугой мобильной связи.

Остановимся лишь на нескольких ключевых достоинствах этих систем. Прежде всего они обеспечивают глобальное покрытие земной поверхности при относительно небольшом числе космических аппаратов (КА) в орбитальной группировке, находящихся на средневысотных орбитах (20 000 км). Второе, не менее важное преимущество — услуга определения местоположения бесплатно предоставляется основной массе гражданских потребителей.

Первоначально гарантируемая точность определения местоположения у обеих систем составляла около 100 м. Однако после того, как в 2000 г. основной провайдер услуг GPS (Министерство обороны США) отказался от режима селективного доступа*, точность определения координат возросла почти на порядок. Заметим, что применение режима дифференциальных поправок увеличивает точность еще в несколько десятков раз. Казалось бы, сегодня все категории потребителей навигационной информации удовлетворены. Однако активно продолжаются работы по европейскому проекту глобальной навигационной спутниковой системы (Global Navigation Satellite System — GNSS), создаваемой по инициативе EC и Европейского космического агентства. Это кажется тем более странным, что на первый взгляд новая система по своей структуре, типам используемых сигналов и характеристикам аналогична GPS/ГЛОНАСС.

---

*Селективный доступ (selective availability) — режим работы спутниковой навигационной
системы GPS, при котором на борту КА искусственно вносятся ошибки, искажающие
информацию о системном времени и эфемеридах спутника, что снижает точность определения
координат до 100 м. Режим высокоточной навигации применяется только для определенной
категории потребителей (например, военных).

И все же, несмотря на очевидное сходство, GNSS существенно отличается от систем GPS и ГЛОНАСС. Во-первых, GNSS создается гражданской организацией, а, следовательно, в ней нет и не может быть режима селективного доступа и в принципе исключена возможность введения каких-либо ограничений. Что же касается системы GPS, то никто не гарантирует, что в случае возникновения конфликта в одной из "горячих точек" планеты такой режим не будет введен вновь.

Другой, не менее важный фактор — низкая скорость передачи навигационных данных в существующих системах (она равна 50 бит/с). Как правило, передача их навигационного сообщения объемом 1500 бит занимает не менее 30 с, что неприемлемо для отдельных категорий пользователей.

И, наконец, как любая система, GPS не застрахована от случайных сбоев и выхода из строя навигационных КА, т. е. от потери целостности системы. Чтобы избежать ошибок определения местоположения, каждый КА передает сведения о работоспособности своей бортовой аппаратуры. Время обнаружения нештатной ситуации на борту GPS-спутника составляет 2-3 ч. Безусловно, для большей части пользователей "потеря из информационного поля" одного-двух КА в течение такого относительно небольшого периода времени остается практически незамеченным, тем более что грубые ошибки в определении местоположения отбрасываются программно, а сравнительно небольшие задержки в определении координат некритичны. Однако существует категория потребителей (воздушный и морской флот и т. п.), для которых даже такие небольшие сбои в работе навигационной системы недопустимы. Они могут привести к непредсказуемым последствиям, например, при взлете или заходе на посадку самолетов, при прохождении судна через узкий пролив.

Два этапа — две системы

Предполагается, что европейский проект глобальной навигационной спутниковой системы GNSS будет реализован в два этапа: GNSS-1 и GNSS-2. На первом этапе (2001-2003 гг.) создается Европейская геостационарная система навигационного дополнения — European Geostationary Navigation Overlay System (EGNOS), которая будет обеспечивать те же услуги, что и GPS/ ГЛОНАСС в период с 2004 до 2015-2018 гг. Основная часть проекта, GNSS-2, базируется на новой спутниковой системе, получившей название Galileo. Ее орбитальная группировка будет развернута в 2007-2008 гг.

EGNOS

Главными предпосылками создания системы EGNOS стали улучшение условий приема сигналов типа GPS/ГЛОНАСС (за счет добавления к ним GPS-подобных сигналов, генерируемых с помощью геостационарных КА) и своевременное оповещение пользователей о сбоях в работе навигационных спутников. Улучшение характеристик обслуживания в определенном географическом регионе достигается с помощью дополнительного (в определенной степени избыточного) спутника. Он должен излучать сигнал на частоте L1 и будет доступен на большей части поверхности Земли (кроме полярных районов).

Базовую орбитальную группировку системы EGNOS образуют три спутника Inmarsat-3, на которых будет установлен прозрачный ретранслятор навигационных сигналов С/L-диапазона (6,4/1,5 ГГц) с полосой 1575,42 ± 2,2 МГц. Он обеспечит передачу C/A кода, навигационного сообщения и сообщения о целостности созвездия спутников.

Навигационный комплекс системы EGNOS значительно проще, чем у спутников GPS и ГЛОНАСС. Сигналы, излучаемые КА Inmarsat-3 в C-диапазоне, предназначены для приема наземными станциями управления, а в L-диапазоне — пользователями систем GPS/ГЛОНАСС. Благодаря передаче дополнительных навигационных сигналов улучшаются показатели доступности, а передача информации о целостности самих навигационных сообщений увеличивает достоверность принимаемых данных.

Структура организации сигналов в системе EGNOS гарантирует, что риск потери целостности не превысит 2х10-7 в любом интервале времени продолжительностью 150 с, а максимальная задержка сигнала оповещения об отказе составит не более 6 с (потеря целостности — это неспособность системы своевременно оповещать пользователей о возможных сбоях в работе). Расчетное значение риска потери непрерывности обслуживания не превышает 10-5 в час (непрерывность обслуживания — способность системы функционировать без перерывов с заданными рабочими характеристиками).

Galileo

Система Galileo будет иметь открытую архитектуру, что обеспечит взаимодействие с существующими системами GPS, ГЛОНАСС, разрабатываемой системой EGNOS и службами поиска и спасения. Запланированный перечень ее навигационных услуг гораздо шире, чем у GPS и ГЛОНАСС. Архитектура Galileo включает три основных элемента (рис. 1): космический сегмент, наземную инфраструктуру (комплекс управления) и навигационную аппаратуру потребителей.

Рис. 1. Обобщенная архитектура системы Galileo.

Космический сегмент базируется на орбитальной группировке из 30 средневысотных спутников (MEO) и обеспечивает глобальное покрытие территории земного шара. Орбитальная группировка Galileo оптимизирована для обслуживания территорий, находящихся в высоких широтах (наклонение и число орбит будут определены в конце 2001 г.). В состав бортовой аппаратуры КА войдет также ретранслятор сигналов радиомаяков, которые используются для проведения поисково-спасательных работ.

Наземная инфраструктура Galileo включает станции телеметрического контроля и управления орбитальной группировкой, объединенные в единую сеть глобального мониторинга. Информация в такой сети будет обрабатываться со столь высоким быстродействием, что это позволит обнаруживать сбои в работе бортового оборудования КА за время, не превышающее 6 с. Планируется также значительно уменьшить время оперативного оповещения пользователей о сбоях в работе навигационных спутников.

Проектирование системы ведется с учетом ее интеграции с другими системами связи и навигации, что особенно важно в тех случаях, когда прием сигналов неустойчив и требуется передача дополнительной информации. Так, планируется интеграция Galileo с наземными навигационными системами Loran-C и EUROFIX, системами космической связи, имеющими собственные подсистемы определения местоположения (Globalstar, Orbcomm), а также системами беспроводной связи (GSM, UMTS), в которых предусмотрено хранение информации о местоположении абонентов.

Работа системы Galileo будет базироваться на четырех ключевых службах. Базовая, общедоступная служба (Оpen Service, ОС) обеспечит позиционирование подвижных объектов (в том числе определение их координат с помощью мобильных телефонов), самолетную и морскую навигацию, передачу сигналов точного времени (UTC). Эти услуги предоставляются бесплатно.

Обеспечение безопасности, связанное с угрозой жизни людей, входит в компетенцию службы спасения (Safety-of-Life Service, SLS). Она призвана обеспечить требования ICAO и других международных организаций для систем навигации, например, таких, которые гарантируют безопасную постановку судов в док или предотвращение столкновения поездов. Расчетная вероятность определения координат в SLS с первой попытки — не менее 0,999.

В задачи третьей службы — общественного регулирования (Public Regulated Service, PRS) — входит предоставление навигационной информации государственным структурам, полиции, гражданской обороне, службам обеспечения правопорядка, экстренной помощи и т. д. Основные требования — защищенность от внешних воздействий и невозможность пиратского использования ее навигационных сигналов незарегистрированными пользователями.

И, наконец, коммерческая служба (Commercial Service, CS) будет предоставлять платные услуги зарегистрированным пользователям. В перечень ее услуг, кроме бесплатных услуг OS, войдет передача дополнительных зашифрованных данных, например, используемых для управления движением.

Кроме того, в системе Galileo планируется реализовать услуги службы поиска и спасения (Search and Rescue Service). Каждый спутник Galileo способен ретранслировать одновременно сигналы от 300 аварийных радиомаяков, находящихся в активном состоянии. Эта информация будет передаваться с борта КА в наземные пункты службы S&R. Точность определения местоположения для существующих в системе COSPAS-SARSAT радиомаяков — около 5 км, а для радиомаяков, оборудованных приемниками Galileo, — не более 10 м.

Сигналы и частотный план

Передача информации в системе Galileo базируется на иной, чем в GPS и ГЛОНАСС, структуре узкополосных и широкополосных сигналов. Главное отличие — более высокая тактовая частота, что позволяет повысить точность измерения псевдодальностей и обеспечить передачу данных, необходимых для управления движением.

В настоящее время для системы Galileo МСЭ выделил шесть участков частот в L-диапазоне (для MEO-спутников) и один участок в C-диапазоне (для геостационарных КА). Согласно частотному плану (рис. 2) все три системы (Galileo, GPS и ГЛОНАСС) работают на близко расположенных частотах, но в неперекрывающихся участках спектра.

Рис. 2. Частотный план систем Galileo, GPS и ГЛОНАСС.

Каждый навигационный спутник Galileo будет излучать по два шумоподобных радиосигнала:
в нижней и в верхней части L-диапазона. Для общедоступных услуг будут использоваться
сигналы E1 и E2 со скоростью 2-4 Мчип/c (таблица). Эти сигналы по своим параметрам
аналогичны C/A коду системы GPS. Два других сигнала, E5 и E6, будут передаваться
с более высокой скоростью и предназначены для обслуживания пользователей на
коммерческой основе.

Навигационные сигналы систем Galileo и GPS

Показатель	Система Galileo				Система GPS
Тип сигнала	E1	E2	E5	E6	L1	L2	L5
Диапазон частот (для GPS — несущая частота, МГц)	1587-1591	1559-1563	1164-1215	1260-1300	1575,42	1227,6	1176,45
Ширина полосы, МГц	4	4	24	30	2,046 (С/А код) 20,46 (P-код)	20,46	24
Скорость передачи	2-4 Мчип/с	2-4 Мчип/с	10-20 Мчип/с	5-10 Мчип/с	1,023 (С/А код) Мбит/c 10,23 (P-код) Мбит/c	10,23 Мбит/c	10,23 Мбит/c

Гарантированная точность определения координат для потребителей Galileo составит
4 м в горизонтальной плоскости и 8 м — в вертикальной при значении доступности
95%. Точность определения временного положения по шкале UTC/TAI — не более 50
нс. Следует отметить, что это предварительные данные, которые могут уточняться.

Предполагается обеспечить скорость передачи навигационных сообщений не ниже 1000 бит/с. Заметим, что для передачи только навигационных данных, позволяющих вычислить местоположение, достаточно всего 50 бит/с (как в системе GPS). Избыточная пропускная способность предназначена для передачи данных о целостности навигационных КА и другой, в том числе и коммерческой информации.

* * *

Эксплуатация системы Galileo должна начаться в 2008 г. Первый экспериментальный спутник будет выведен на орбиту уже в конце 2003 г. Общая стоимость проекта оценивается в 3,2 млрд евро, из которых затраты на разработку составят 1,1 млрд, а расходы на развертывание и начальную эксплуатацию системы — 2,1 млрд евро.

После ввода в строй Galileo и запланированной на 2005 г. модернизации системы GPS в L-диапазоне будут независимо функционировать две навигационные спутниковые системы, каждая из которых будет обслуживать как свой сравнительно небольшой контингент зарегистрированных пользователей, так и гражданских потребителей. Последние смогут воспользоваться услугами обеих систем, что значительно повысит точность и оперативность определения местоположения объекта и доступность навигационных данных.

Совместное использование двух (или трех, с учетом ГЛОНАСС) навигационных систем аналогично тому, как если бы использовалась одна глобальная навигационная система, но с орбитальной группировкой, имеющей вдвое больше спутников. Интеграция трех систем выгодна и с другой точки зрения. Наклонение орбит у спутников Galileo выше, чем у GPS, а следовательно, аппаратура потребителей будет "видеть" спутники даже в тех точках орбиты, которые были ранее недоступны для пользователей GPS.