Обоснование требований к макету псевдоспутника как базового элемента локальной системы позиционирования подразделений пожарной охраны МЧС России

УДК 681

С.Н. Терехин

ОБОСНОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К МАКЕТУ ПСЕВДОСПУТНИКА КАК БАЗОВОГО ЭЛЕМЕНТА ЛОКАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ПОДРАЗДЕЛЕНИЙ ПОЖАРНОЙ ОХРАНЫ МЧС РОССИИ

В данной статье представлено описание макета псевдоспутника как базового элемента системы позиционирования подразделений пожарной охраны в закрытых помещениях зданий и сооружений. В рамках разработки макета и проведения эксперимента выполнена оценка предложенного способа синхронизации шкалы времени сигнала псевдоспутника со шкалой времени глобальных навигационных спутниковых систем, отработаны организационно-технические мероприятия по координатной привязке псевдоспутника, создан схемотехнический, конструкторский и программно-алгоритмический задел по разработке основных узлов псевдоспутника.

Ключевые слова: псевдоспутник, радиосигнал, радиолиния, локальная система позиционирования, шкала времени.

S. Terehin

SUBSTANTIATION REQUIREMENTS TO THE MODEL OF PSEUDO SATELLITE, AS THE BASIC ELEMENT OF A LOCAL POSITIONING SYSTEM OF UNITS OF FIRE SERVICE OF EMERCOM OF RUSSIA

This article describes the layout of pseudo-satellite, as the basic element of positioning system of units of Fire Service in restricted areas. Part of the development layout and the experiment carried out the evaluation of the proposed method synchronized time scale the signal pseudo-satellite with the time scale of global navigation. Also, worked out organizational and technical measures to coordinate the binding of pseudo-satellite, developed circuitry, design, software and algorithmic development reserve the basic units of pseudo-satellite.

Key words: pseudo-satellite, radio, radio link, the local positioning system, time scale.

Единая государственная система предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций (РСЧС) объединяет органы управления, силы и средства федеральных органов исполнительной власти, органов исполнительной власти субъектов Российской Федерации, органов местного самоуправления и организаций, в полномочия которых входит решение вопросов в области защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций, и осуществляет свою деятельность в целях выполнения задач, предусмотренных Федеральным законом «О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера».

В настоящее время состояние и перспективы развития системы управления являются важнейшим показателем готовности МЧС, уровня их организационного и технического совершенства. Повышение качества, совершенствование форм, методов и организационных структур управления невозможно без использования последних достижений науки и техники, автоматизации всех основных управленческих процессов. Основным направлением совершенствования управления является широкое использование современных информационных технологий в составе распределённых систем обработки данных (РСОД).

Основной функцией системы управления является выработка решения, определяющего дальнейшие действия управляемого объекта. Важнейшей характеристикой принятого решения является его обоснованность.

Современные действия МЧС характеризуются решительностью целей, высокой динамичностью и манёвренностью сил, широким применением новых технических средств. В этих условиях резко увеличивается количество информации, которую должны перерабатывать органы управления для обеспечения обоснованности принимаемых решений.

В ходе ликвидации чрезвычайной ситуации личному составу приходится решать множество вопросов, направленных на своевременное сосредоточение сил и средств и их расстановку, обеспечение необходимым количеством огнетушащих средств, введение сил и средств на тех направлениях, где они могут обеспечить общий успех ликвидации ЧС. Практика показывает, что без чёткой организации управления силами и средствами невозможно успешное выполнение стоящих задач перед подразделениями пожарной охраны МЧС России.

В частности при крупных пожарах действия личного состава, прибывающего к месту вызова подразделений, не могут быть стихийными, самопроизвольными. Прибывающие на пожар подразделения нуждаются в едином руководстве, согласовании и координации усилий для выполнения общей задачи, т. е. необходимо управление боевыми действиями подразделений пожарной охраны МЧС России.

Расширение круга задач РСЧС на современном этапе и увеличение требований к качеству их решения, необходимость повышения эффективности межведомственного и межгосударственного взаимодействия по вопросам ЧС обусловили переход к новым технологиям управления, к концепции автоматизации управления РСЧС на основе центров управления в кризисных ситуациях. Система этих центров имеет иерархическую структуру.

На высшем уровне иерархии находится Национальный центр управления в кризисных ситуациях (НЦУКС). На нижних уровнях находятся:

ЦУКС региональных центров МЧС России, главных управлений МЧС России по г. Москве и Калининградской области;

ЦУКС главных управлений МЧС России по субъектам Российской Федерации; единые дежурно-диспетчерские службы городов;

дежурно-диспетчерские службы потенциально опасных и критически важных объектов. В соответствии с принятой организацией вышестоящий ЦУКС координирует работу нижестоящих ЦУКС и дежурно-диспетчерских служб своего уровня. Национальный центр управления в кризисных ситуациях предназначен для объединения информационных ресурсов и возможностей функциональных и территориальных подсистем РСЧС с целью оперативного управления в кризисных и чрезвычайных ситуациях (рис. 1). Полноценное объединение под эгидой НЦУКС региональных ЦУКС, ЦУКС субъектов РФ, ЕДДС городов (районов) и ДДС потенциально опасных и критически важных объектов приведёт в конечном итоге к созданию высокоэффективной автоматизированной системы управления РСЧС. Основными задачами НЦУКС являются:

сбор, обработка и представление вышестоящим, взаимодействующим и нижестоящим органам управления РСЧС оперативной информации о ЧС, прогнозной информации о тенденциях их развития и последствиях, силах, средствах и ресурсах;

оперативное управление действиями подчинённых подразделений при выполнении мероприятий по экстренному предупреждению и ликвидации ЧС;

координация совместной деятельности взаимодействующих ведомственных дежурно-диспетчерских служб при угрозе или возникновении ЧС;

информационное и материально-техническое обеспечение работы на пунктах управления НЦУКС постоянно действующих и координирующих органов управления РСЧС;

информационное взаимодействие с кризисными центрами иностранных государств.

Орган управления

Пункт управления федерального

уровня

Средства автоматизации

управления

Оконечная аппаратура системы

информационного обмена

Источники и потребители информации

Силы и средства МЧС

Орган управления

Пункт управления регионального уровня субъекта

Средства автоматизации управления

Оконечная аппаратура системы информационного обмена

Источники и потребители информации

Силы и средства МЧС

Орган управления

Пункт управления уровня предприятия

Средства автоматизации управления

Оконечная аппаратура системы информационного обмена

Источники и потребители информации

Сотрудники предприятия

и F и

и

сз

я

<D

'S ю о о

о я я о s

s

а о

-е я s

<u H о

s

о

сЗ «

H о

<u а о

Л «

о

¡3

W

со

2

«

s

Дежурная служба администрации Президента и аппарата Правительства РФ

со

2

«

s

со

2

«

s

Взаимодействующие министерства и ведомства

МО

МВД

Орган управления

Пункт управления уровня субъекта

Средства автоматизации управления

Оконечная аппаратура системы информационного обмена

Источники и потребители информации

Î

Силы и средства МЧС

Орган управления

Пункт управления города,

района города

Средства автоматизации

управления

Оконечная аппаратура системы

информационного обмена

Источники и потребители информации

Силы и средства МЧС

Рис. 1. Система управления РСЧС

Качественное решение этих задач возможно только при наличии средств автоматизации. Основу средств автоматизации НЦУКС составляют компьютеры и локальные компьютерные сети с соответствующими программными средствами. Наиболее важными из программных средств являются средства сбора, оперативного анализа, отображения информации и подготовки управленческих решений. В целях обеспечения подготовки эффективных управленческих решений (в режиме повышенной готовности и в режиме чрезвычайной ситуации) с использованием специальных программных средств моделирования должны готовиться сценарии для «проигрывания» различных вариантов управленческих решений.

Существует широкий спектр задач координатно-временного и навигационного обеспечения, условий и областей применения навигационных технологий, в которых определения координат места и времени по глобальным навигационным спутниковым системам (ГНСС) невозможны или имеются высокие риски их срыва. В первую очередь это касается случаев затенений и отсутствия видимости навигационных космических аппаратов (сложный рельеф местности, городская застройка, тоннели, околоземное космическое пространство за пределами 2000 километров, закрытые помещения, подводная и подземная среда), а также высокой динамики объектов и сложной электромагнитной обстановки, характерной для локальных зон и обусловленной радиопомехами индустриального и природного происхождения.

Отсутствие резервных по отношению к системе ГЛОНАСС (и другим ГНСС) средств в указанных выше экстремальных условиях создаёт предпосылки для снижения безопасности транспортных операций и оперативности выполнения поисково-спасательных работ подразделений МЧС России, сохранит риски в проведении других критически важных мероприятий [2].

Поэтому проводятся исследования, направленные на улучшение характеристик. Одним из таких направлений являются исследования возможностей применения систем навигации в перечисленных областях применения с использованием псевдоспутников (ПС).

Под псевдоспутником подразумевается радиотехническое устройство с наземным базированием или базированием в околоземном пространстве, сигнал которого синхронизирован с сигналами спутников или с сигналом контрольной станции, а параметры сигнала и его формат близки к параметрам и формату сигналов спутников ГНСС [3].

Повышение точности и надёжности местоопределения при использовании псевдоспутников обеспечивается за счёт более мощного (чем от спутников) сигнала и отсутствие эфемеридных и ионосферных погрешностей.

Модифицированный приёмник ГНСС принимает сигналы как спутника, так и псевдоспутника, и выдаёт в результате измерений и обработки данные, используемые для целей навигации или мониторинга.

Существенное отличие псевдоспутника от спутника заключается в том, что псевдоспутник обычно не содержит высокоточных атомных часов и его положение должно описываться скорее в географических координатах, а не в параметрах орбиты, как это делается для обычного спутника.

Для апробации теоретических принципов функционирования системы и минимизации материальных расходов и трудозатрат представляется целесообразным разработать макет псевдоспутника как базового элемента системы позиционирования с последующим проведением натурного эксперимента.

Анализ требований к навигационному радиосигналу, формируемому макетом ПС

Исходным документом, устанавливающим требования к навигационным радиосигналам системы ГЛОНАСС, является «Интерфейсный контрольный документ» (ИКД).

Согласно ИКД космический аппарат системы ГЛОНАСС должен излучать два двухкомпо-нентных шумоподобных фазоманипулированных радиосигнала диапазонов L1 и L2, модулированных кодами стандартной и высокой точности и навигационной информацией. Требования к ха-

рактеристикам радиосигнала ПС должны быть аналогичны требованиям к характеристикам сигнала ГЛОНАСС [4].

Для натурного эксперимента по предварительной проработке вопросов приёма навигационных радиосигналов ПС решено ограничиться одним частотным диапазоном L1 и модуляцией радиосигнала кодом стандартной точности. Такой вариант позволит экспериментально подтвердить возможность улучшения координатно-временного навигационного обеспечения (КВНО) потребителя при использовании ПС и «типовой» навигационной аппаратуры потребителя (НАП) ГНСС гражданского назначения. Переход на модуляцию кодом высокой точности может быть осуществлен с помощью замены специального программного обеспечения ПС и не потребует конструктивных изменений (рис. 2).

С точки зрения формирования радиосигнала важнейшими являются следующие параметры.

Номинальное значение несущей частоты

В соответствии с ИКД номинальное значение несущей частоты диапазона L1 определяется по формуле f = (1602,0000 + 7 • 0,5625) МГц, где 7 - номер литера частоты (целое число от - 7 до + 6). Несущая частота радиосигнала должна быть когерентно сформирована из частоты бортового генератора (эталона).

Относительное отклонение частоты при этом не должно превышать 2 • 10-11. Релятивистская поправка частоты генератора не требуется, т. к. ПС находится на твёрдой точке на поверхности Земли. При проведении эксперимента возможно использование свободных (в момент проведения эксперимента) литерных частот (9 - 12). Номинальное значение несущей частоты является определяющим для построения частотного плана синтезатора несущей частоты формирователя навигационного сигнала ПС.

Фазовые шумы немодулированной несущей

В соответствии с ИКД спектральная плотность мощности (СПМ) фазовых шумов немодули-рованной несущей такова, что схема слежения за фазой, имеющая одностороннюю шумовую полосу 10 Гц, обеспечивает точность слежения не хуже 0,1 радиан (среднеквадратическое значение -СКО). Так как требования по шумам заданы в виде девиации фазы, для пересчёта их в СПМ на герц ширины полосы частот необходимо воспользоваться формулой, связывающей пиковую (ЗхСКО) девиацию фазы и СПМ [1]:

где 9 - пиковая девиация фазы.

Подставляя в (1) значение 9 = 0,3 рад, получим СМП на уровне минус 16 дБ/Гц при отстройке от несущей на 10 Гц.

Такие требования к СПМ могут быть с запасом обеспечены современными методами синтеза частот.

Уровень побочных излучений

Уровень мощности побочных радиоизлучений должен быть не более минус 40 дБ относительно мощности немодулированной несущей (полной мощности) радиосигнала.

Кроме того, в диапазонах частот 1610,6... 1613,8 МГц; 1660...1670 МГц должна быть обеспечена плотность потока мощности, удовлетворяющая требованиям Рекомендации МСЭ-ЯБА.769 (минус 181 дБВт/м2).

Для обеспечения заданных требований необходимо применение специальных конструктивных и схемотехнических мер по снижению уровня внеполосных радиоизлучений до заданного уровня (фильтрация, модификация формы модулирующих сигналов).

Групповая задержка радиосигнала в тракте формирования и передачи

Согласно ИКД недетерминированная составляющая группового времени задержки (ГВЗ) должна составлять не более 2 нс.

Основными источниками недетерминированного ГВЗ являются нелинейные элементы с сильной температурной зависимостью фазочастотной характеристики, а также элементы частотной селекции (фильтры).

Для снижения недетерминированной ГВЗ до необходимого уровня требуется минимизировать количество таких элементов в модуляторе. Уровень мощности

Согласно ИКД уровень мощности радиосигнала навигационного космического аппарата (КА) на выходе линейно поляризованной антенны с коэффициентом усиления +3 дБ должен быть не менее минус 161 дБВт.

После проведения расчёта радиолинии необходимо установить уровень выходной мощности передатчика ПС и диапазон её изменения.

Расчёт радиолинии и выбор условий относительного размещения макетов ПС и НАП Целью расчёта радиолинии является определение необходимой выходной мощности радиопередатчика ПС и места его размещения по отношению к потребителю. Расчёт производится по известным формулам, связывающим коэффициенты усиления приёмной и передающей антенн, мощность передатчика, потери на радиолинии и шумы приёмного тракта [5].

Для выполнения расчёта необходимо определить энергетический потенциал на входе приёмника, обеспечивающий нормальный приём и обработку навигационного сигнала. Энергетический потенциал на входе приёмника может быть вычислен по формуле:

L = Р - 10^Т),

где Т - эквивалентная шумовая температура приёмника (К); Р - мощность на выходе приёмной антенны (дБВт). k - постоянная Больцмана (Дж/К).

Шумовая температура приёмного тракта вычисляется по формуле:

Т = Тант +

где Т0 = 300 К, Кш, - коэффициент шума приёмника, Тант - шумовая температура антенны (400 К) (изотропная линейно поляризованная пассивная антенна).

Коэффициент шума «типового» навигационного приёмника составляет 4 дБ. Таким образом, шумовая температура приёмника составляет 850 К.

Энергетический потенциал радиолинии (при мощности на выходе антенны минус 161 дБВт) составляет 38 дБГц.

Полученное значение представляет собой энергетический потенциал, который должен обеспечивать передатчик ПС на входе приёмника навигационных радиосигналов.

Энергетический потенциал на входе приёмника при заданных коэффициентах усиления антенн и мощности передатчика может быть определён по формуле:

^ = Gmp + Gnp + РПер - 101в

где I - потери в радиолинии (дБ);

Gпер - коэффициент усиления передающей антенны (дБ); Gпр - коэффициент усиления приёмной антенны (дБ); Рпер - мощность передатчика (дБВт).

Потери в свободном пространстве (без учёта потерь в атмосфере) (в дБ) определяются по формуле:

с

I = 201в

где с - скорость света в вакууме (м/с);

R - расстояние между приёмной и передающей антеннами (м);

f - частота радиосигнала (Гц). Отсюда

с

Р = L - Gnep - G +10 ^(кТ) - 20 ).

Для обеспечения электромагнитной совместимости при проведении эксперимента и снижения влияния многолучевости в составе ПС целесообразно применить направленную антенную систему с шириной диаграммы направленности не более 30°, что соответствует коэффициенту усиления около 10 дБ.

Антенны частотного диапазона ~ 1600 МГц с такой диаграммой направленности могут быть конструктивно выполнены в виде однозаходной спирали. «Дальняя» зона такой антенны (плоский фронт электромагнитной волны) начинается для заданного диапазона от расстояний около 2 м, что вписывается в условия планируемого натурного эксперимента. Заметим, что основным фактором, ограничивающим необходимое расстояние снизу, является допустимый уровень мощности на выходе антенны аппаратуры потребителя.

Типовая приёмная антенна имеет диаграмму направленности, охватывающую всю верхнюю полусферу, что соответствует коэффициенту усиления около 3дБ.

Так как антенну передатчика предполагается располагать вблизи поверхности Земли, то распространение радиоволн происходит вдоль поверхности. Для создания равномерного поля в некоторой области пространства необходимо, чтобы размер этой области был в несколько раз меньше расстояния от передатчика.

Областью применения ПС являются места с большим геометрическим фактором (например, по причине неровностей ландшафта и затенения отдельных НКА), а также места, в которых доступность навигационной системы необходимо максимизировать (например, аэропорты и акватории портов). Размеры подобных областей могут быть оценены в несколько километров. Таким образом, для обеспечения равномерного распределения мощности поля, создаваемого ПС, на практике необходимое расстояние должно составлять не менее 10 км (в условиях натурного эксперимента планируется работа на меньших удалениях от ПС - до 2 км).

Для обеспечения приёма сигнала ПС также необходимо выполнить условие прямой радиовидимости антенны ПС.

Для расчёта необходимой высоты установки ПС относительно потребителя используется эмпирическая формула:

где R - расстояние между антеннами, км; h1, h2, - высота установки приёмной и передающей антенн, м.

Отсюда при h1 =0, Я =10 км, получим h2 = 7,8 м.

С учётом запаса на неровности ландшафта необходимо обеспечить установку антенны ПС на высоте 10 м относительно антенны аппаратуры потребителя.

При проведении эксперимента реально на меньших удалениях НАП от ПС, тем не менее, желательно устанавливать антенну ПС на несколько метров выше антенны НАП - для уменьшения уровня переотражённых сигналов. Подставляя в формулу (6) исходные значения Gnер = 10 дБ, Gnр = 3 дБ, Ь = 38 дБГц, Т = 850 К, R = 10 000 м, получим Р = - 58 дБВт = - 28 дБмВт.

Для обеспечения запаса по мощности целесообразно обеспечить возможность регулировки выходной мощности ПС в диапазоне ±10 дБ относительно номинального значения.

Кроме того, для обеспечения возможности работы на малых удалениях, вплоть до 100 м в условиях лабораторных испытаний, необходимо предусмотреть в составе аппаратуры ПС аттенюатор с диапазоном не менее 40 дБ.

Рис. 2. Схематическое представление системы навигации внутри помещений с использованием псевдоспутников

Анализ состава навигационной информации

Для формирования навигационного сигнала, позволяющего решать навигационно-временную задачу с приемлемой точностью, методы формирования навигационной информации должны быть аналогичны методам, используемым при эксплуатации системы ГЛОНАСС.

Навигационная информация, передаваемая в информационном сообщении КА ГЛОНАСС, содержит в своём составе оперативную и неоперативную информацию.

В состав оперативной информации входят следующие основные параметры:

текущая дата и номер временного интервала внутри суток;

признаки режимов работы и актуальности передаваемой информации;

номер КА;

фактор точности;

аппаратурные задержки;

частотно-временные поправки, включающие относительное прогнозируемое отклонение несущей частоты радиосигнала от номинала и сдвиг шкалы времени КА относительно шкалы времени системы (ШВС) ГЛОНАСС;

эфемериды КА (составляющие вектора положения, скорости, ускорения);

"возраст" оперативной информации.

В составе неоперативной информации передаются:

данные о шкале времени (ШВ) системы;

данные о ШВ каждого КА;

элементы орбиты.

Таким образом, для формирования полного навигационного сообщения ПС должен обеспечивать вычисление следующих параметров:

1. Текущая дата и номер временного интервала внутри суток. Для формирования значений данного параметра в состав ПС должен быть включён формирователь и хранитель собственной шкалы времени (аналог бортовой ШВ КА). Формирователь и хранитель ШВ состоит из опорного генератора, формирователя меток времени и кода времени, средств привязки (средств измерения расхождения собственной ШВ относительно опорной ШВ).

18 _

Научные и образовательные проблемы гражданской защиты - 2011'4

2. Номер КА, фактор точности и аппаратурные задержки. Данные параметры являются константами и определяются на этапе разработки и производства ПС.

3. Эфемериды КА. Координаты фазового центра передающей антенны ПС могут быть определены геодезическими методами с высокой точностью и заложены в виде констант в навигационное сообщение. Составляющие вектора скорости и ускорения равны нулю, т. к. ПС находится на твёрдой точке и относительно рабочей системы координат (ПЗ 90.02) может считаться неподвижным.

4. Частотно-временные поправки. Формирование ЧВП является сложной технической задачей, решаемой с помощью комплекса специальной наземной аппаратуры. Для разработки методики формирования ЧВП для закладки информации на ПС необходимо рассмотреть алгоритм формирования ШВС в системе ГЛОНАСС.

5. Неоперативная информация. Для формирования актуальной неоперативной информации в составе ПС необходимо использование «стандартного» приёмника навигационных сигналов ГЛО-НАСС. Принимаемая с КА неоперативная информация (с дополнениями в части параметров ПС) может быть использована для формирования кадров данных ПС.

Выводы:

1. Требования к характеристикам радиосигнала ПС должны быть аналогичны требованиям к характеристикам сигнала ГЛОНАСС.

2. С точки зрения формирования радиосигнала важнейшими являются следующие параметры:

номинальное значение несущей частоты; фазовые шумы немодулированной несущей; уровень побочных излучений;

групповая задержка радиосигнала в тракте формирования и передачи; уровень мощности.

3. Для формирования полного навигационного сообщения ПС должен обеспечивать вычисление следующих параметров:

текущая дата и номер временного интервала внутри суток; номер КА, фактор точности и аппаратурные задержки; эфемериды КА; частотно-временные поправки; неоперативная информация.

4. Выбор сигналов макета ПС, идентичных по основным параметрам сигналу ГНСС ГЛО-НАСС, позволяет использовать в качестве элементной базы макета НАП обработки сигналов ГНСС и ПС устройства, разработанные ранее для обработки сигналов ГЛОНАСС.

Литература

1. Синтезаторы частот (теория и проектирование). Пер. с англ./Под ред. Галина А.С. М.: Связь, 1979.

2. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования. / Под ред. Перова А.И., Харисова В.Н. -Изд. 3-е перераб. - М: Радиотехника, 2005, 688 с.

3. Михаил Качалин. Псевдолиты - GPS спутники на Земле // gpsgsm.ru (дата обращения: 13.05.2011).

4. Бабуров В.И., Иванцевич Н.В., Васильева Н.В. и др. Анализ влияния точности координатно-временной привязки носителя псевдоспутника на характеристики навигационного поля СРНС + ПС // Матер. 13-й международной конференции по интегральным навигационным системам. ЦНИИ «Электроприбор», СПб., 2006.

5. Аникин А.М. Определение местоположения мобильного объекта с помощью приёмопередатчиков NanoLOC фирмы Nanotron /А.М. Аникин // Беспроводные технологии - 2007. - № 3 с. 32 - 35.

6. Сайт фирмы «Навиком»: www.navicom.co.kr (дата обращения: 5.02.2011).

7. Сайт фирмы Herley Lancaster: www.herley.com (дата обращения: 22.04.2011).

8. Сайт фирмы Ball Aerospaсe: www.ballaerospaсe.com (дата обращения: 13.05.2011).

9. Научно-технический отчёт о НИР «Лоцман-РИРВ». - СПб.: ОАО «РИРВ». 2009.