Студенты и ученые Военного учебного центра Cибирского Федерального университета творчески решают проблемы спутниковой навигации
Сегодня глобальная навигационная спутниковая система (ГНСС) стала стандартным инструментом для автономного позиционирования в реальном времени с умеренной погрешностью, высокоточного определения пространственной ориентации подвижных объектов и синхронизации шкалы времени. Концепция высокоточной навигации подвижных объектов заключается в использовании многоканальных угломерных ГНСС-приемников, осуществляющих прием и обработку навигационных сигналов ГЛОНАСС и GPS.
Теория, техника угломерных измерений и определения пространственного положения объектов по сигналам ГНСС рассматривались в многих работах Красноярской научной школы профессорами Михаилом Чмых, Владимиром Кокориным, Юрием Фатеевым и другими сибирскими исследователями. Занимаются этой проблемой и сотрудники нашего учебного центра.
Для высокоточного определения пространственного положения подвижных объектов используются интерферометрические методы – фазовые измерения в двух (трех) точках. При определении ориентации интерферометрическим методом измеряемыми параметрами являются углы между строительными осями объекта и вектор-направлениями на каждый из НКА. Координаты НКА и объекта считаются известными, следовательно, можно найти угол между базой, расположенной параллельно одной из осей объекта-потребителя, и направлением НКА. При этом расстояние между антеннами может быть либо известным, либо неизвестным.
“Важно отметить, что успешность функционирования многообъектовой группировки во многом зависит от точности позиционирования каждого подвижного объекта в ее составе”
Для увеличения точности измерения углов пространственной ориентации требуется увеличивать расстояние между антеннами. Основной проблемой в этом случае является возникающая неоднозначность фазовых измерений. Многие иностранные исследователи для разрешения неоднозначности используют многочастотные измерения. Несмотря на достаточно надежное разрешение, этот метод значительно усложняет аппаратуру ГНСС-приемника. Одночастотное разрешение фазовой неоднозначности позволяет существенно упростить аппаратуру. Использование всех видов навигационных сигналов всех частотных диапазонов позволяет получить точность измерения координат подвижных объектов на уровне десятых долей метров. Определение пространственной ориентации производится интерферометрическими методами, при этом разрешение начальной фазовой неоднозначности осуществляется при помощи одномоментных переборных методов. Методы взаимной навигации в составе различных группировок подвижных объектов возможны как на основе относительных (дифференциальных) режимов, так и на основе относительных фазовых режимов, обеспечивающих миллиметровую точность определения взаимного местоположения.
Сегодня результаты данных исследований внедрены в серийном производстве АО «НПП «Радиосвязь», которое выпускает более 40 модификаций систем определения места и пространственной ориентации подвижных объектов серии «МРК», каждая решает вполне определенную задачу. Специалисты ВУЦ на различных полигонах провели множество испытаний, и в каждом аппаратура показала блестящие результаты. По своим показателям точности навигационная аппаратура серии «МРК» соответствует требованиям, предъявляемым к топографической подготовке позиций военной техники.
Отличительной особенностью аппаратуры серии «МРК» является способность непрерывно определять не только координаты, но и пространственную ориентацию строительных осей мобильных объектов на месте и во время движения. Уменьшение погрешности оценки угловой ориентации объектов достигается путем определения фазовой неоднозначности при совместной фильтрации кодовой и фазовой псевдодальности. МРК измеряет параметры объекта со следующими характеристиками:
- углы азимута, крена, тангажа – не более четырех угловых минут на базах два метра, а при 10 метрах – не более двух угловых минут;
- время готовности радионавигационной аппаратуры с холодного старта составляет две минуты.
В настоящее время на основе деятельности технологической платформы «Национальная информационная спутниковая система» между Военным учебным центром СФУ и АО «ИСС» имени академика М. Ф. Решетнева, АО «Радиосвязь» осуществляется ряд проектов как по линии Минобороны РФ, так и в интересах Миннауки и высшего образования. Такое партнерство с ведущими ведомствами ведет к разработке долгосрочной стратегии научных и прикладных исследований отрасли и формированию предложений по направлениям создания технологий для перспективных образцов космической отрасли.
На сегодня в ВУЦ выполняются пять составных частей опытно-конструкторских работ военного ведомства РФ, один проект, выполняемый по субсидии на господдержку кооперации российских высших учебных заведений, государственных научных учреждений и организаций, реализующих комплексные проекты создания высокотехнологичного производства в соответствии с постановлением правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 года № 218, и один проект Российского фонда фундаментальных исследований.
В большинстве своем все проводимые научные изыскания двойного назначения. Если говорить о проектах в интересах военного ведомства, то они направлены на уменьшение погрешности эфемеридно-временного обеспечения системы ГЛОНАСС в целом, повышения точности и помехоустойчивости позиционирования, пространственной ориентации подвижных объектов различного назначения, в том числе и беспилотных летательных аппаратах при помощи ГНСС-приемников.
С развитием технологий спутниковые радионавигационные приемники становятся доступнее, уменьшаются их габариты, вес и потребляемая мощность. Другое направление развития – расширение функциональных возможностей, как пример – приемная угломерная аппаратура подвижных объектов, работающая по фазе несущей частоты радионавигационных сигналов, измеряющая ориентацию строительных осей объекта с высокой точностью. Вместе с этим погрешность измерения псевдодальности по фазе несущей частоты намного точнее, чем измерения по дальномерному коду, и достигает миллиметровой точности. Однако фазовые измерения невозможно использовать напрямую вместо кодовых измерений из-за наличия фазовой неоднозначности. В то же время использование методов относительного измерения приращения фазовой псевдодальности за определенный промежуток времени измеряется однозначно и с фазовой точностью, что позволяет проводить высокоточные измерения приращения координат подвижных объектов в группировке. Вычитая из приращения псевдодальности на ведомом объекте, приращение псевдодальностей на ведущем объекте можно значительно повысить точность измерения угловой ориентации (до нескольких угловых минут) и координат местоположения подвижных объектов в группировке.
Однако подавляющее большинство мировых производителей при разработке навигационных систем ограничивается автономным режимом работы навигационных приемников с точностью, соответствующей стандартной точности ГЛОНАСС/GPS. Как максимум могут организовываться дифференциальные сети. Однако даже в этом случае погрешность взаимной привязки двух объектов редко оказывается менее 0,1 метра. И это при использовании высокоточных приемников и специальных алгоритмов обработки измерений, что не всегда применимо в условиях динамичного изменения конфигурации подвижной группировки.
В современных ГНСС-приемниках при измерении псевдодальности по дальномерному коду сигнала НКА для уменьшения случайной составляющей погрешности используется измеренное значение приращения фазы сигнала несущей частоты НКА. В результате случайную составляющую погрешности измерения псевдодальности по дальномерному коду сигнала НКА удается уменьшить до величины, сопоставимой с погрешностью фазовых измерений. При этом остаются более низкочастотные погрешности (окрашенный шум) 0,1–0,2 метра. Использование в качестве измеряемого параметра фазы несущей частоты обеспечивает измерение псевдодальности с миллиметровой точностью. На интервале наблюдения в одну секунду обеспечивается значение случайной составляющей погрешности измерения псевдодальности по фазе несущей частоты сигнала НКА 0,5–3 миллиметра.
Важно отметить, что успешность функционирования многообъектовой группировки во многом зависит от точности позиционирования каждого подвижного объекта в ее составе. Причем определяющую роль имеет не абсолютная точность измерения координат, а точность взаимной привязки подвижных объектов в группировке. Данный факт обусловил направление развития методов определения относительных координат на основе измерений по фазе несущей частоты сигнала НКА. На основе фазовых измерений возможно достичь погрешности определения относительных координат порядка нескольких миллиметров.
Основной задачей навигационно-временного обеспечения подвижных объектов по сигналам ГНСС являются навигационные измерения в автономном режиме, измерение скорости по сигналам ГНСС, влияние геометрического фактора на точность измерения координат и возможность фильтрации квазипостоянных параметров радионавигационных сигналов. Для фильтрации квазипостоянных параметров радионавигационных сигналов можно применить упрощенный алгоритм фильтрации. Синтезированный фильтр эквивалентен фильтру Калмана скалярной величины первого порядка. Свойством алгоритма фильтрации квазипостоянных параметров является уменьшение погрешности вычисления нефильтруемых параметров. Фильтрация разности шкал ГЛОНАСС и GPS практически не влияет на плановые координаты вектора-базы подвижных объектов, в то же время шумовая погрешность по вертикальной составляющей уменьшается в 1,5–2 раза и становится сравнимой с погрешностью плановых составляющих. Описанный алгоритм не требует дополнительных вычислительных ресурсов и хорошо дополняет одномоментное решение матрицы наименьших квадратов. Для фильтрации одного параметра достаточно добавить одно уравнение и рассчитать весовой коэффициент для следующего решения.
Разработанные методы высокоточной взаимной навигации подвижных объектов включают в себя как кодовые, так и фазовые относительные измерения. Задачу следует решать в два этапа. На первом этапе определяются координаты подвижных объектов в автономном режиме. Полученные при расчете координаты подвижных объектов используются при решении задачи определения относительных координат.
Основные объекты и предметы научных исследований, проводимых в ВУЦ по техническим наукам:
- методы и средства определения навигационных параметров объектов ПВО в боевых условиях с использованием системы ГЛОНАСС;
- методы топографической привязки средств радиолокации с помощью спутниковой радионавигационной системы ГЛОНАСС;
- методы повышения точности и помехоустойчивости наземных приемников, работающих в системе ГЛОНАСС;
- методы взаимной высокоточной навигации малых космических аппаратов;
- радионавигационные приемники на воздушных судах различных классов, а также БЛА;
- надежность современной элементной базы для спутниковых систем в условиях воздействия космической радиации;
- автоматизированная система управления мобильными радиолокационными комплексами;
- методы и алгоритмы обработки радиолокационных сигналов.
Справка «ВПК»
За последние три года объем НИР и ОКР в ВУЦ при Сибирском федеральном университете составил более миллиарда рублей.
За пять лет опубликовано свыше 270 научных статей, из них более 140 – в изданиях из перечня ВАК, 26 учебников с грифом МО РФ, 17 учебных пособий, 9 монографий, 10 патентов РФ.
В Военном учебном центре преподают семь докторов наук, 22 кандидата наук, четыре профессора, 15 доцентов, три докторанта и 10 аспирантов. Военные академии окончили 19 сотрудников ВУЦ. Офицеры-преподаватели имеют боевой и большой опыт войсковой службы.
Евгений Гарин, начальник Военного учебного центра имени В. П. Дубынина при СФУ, доктор технических наук, профессор, полковник запаса (город Красноярск)
Газета "Военно-промышленный курьер", опубликовано в выпуске № 42 (905) за 2 ноября 2021 года
