Функциональное дополнение ГНСС EGNOS

ВВЕДЕНИЕ
Спутниковые технологии навигации и геодезии в настоящее время переживают стремительный технический прогресс, связанный с предоставлением мировому сообществу странами, владельцами спутниковых радионавигационных систем GPS (Global Positioning System — США) и ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система — Российская Федерация) в неограниченное и бесплатное использование. Темп роста объема рынка сегодня, по данным зарубежных экспертов, составляет 25 % ежегодно по отношению к предыдущему году, но как и в любой сложной технической системе, компоненты космических навигационных систем функционируют не идеально. В силу этого значения координат и скорости, получаемые потребителем в навигационном решении, отличаются от реальных.
Для преодоления ограничений и недостатков, свойственных глобальным навигационным спутниковым системам (ГНСС) необходимо использовать различные функциональные дополнения.
Целью данной работы является изучение функционального дополнения ГНСС EGNOS.
Для достижения поставленной цели были сформированы следующие задачи:
- изучение понятие и виды функциональных дополнений;
- изучение функционального дополнения ГНСС EGNOS, его сегментов и услуг предоставляемых EGNOS.
Работа состоит из введения, двух глав, заключения и списка использованной литературы. Работа изложена на 16 страницах машинописного текста.
1. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ДОПОЛНЕНИЯ
1.1 Понятие функциональных дополнений
Развитие мировых ГНСС идет по пути повышения точности и доступности позиционирования, обеспечения целостности навигационного поля, а также расширения доступных услуг. Сформировалось два направления развития ГНСС, связанных с повышением точности и надежности предоставляемых ими навигационных услуг:
модернизация существующих (ГЛОНАСС, GPS) и создание новых глобальных спутниковых навигационных систем (европейский проект Galileo, китайский проект БЕЙДОУ);
развитие функциональных дополнений (ФД).
Функциональные дополнения ГНСС предоставляют потребителям дополнительную информацию, позволяющей повысить точность и достоверность определения пространственных координат, скорости движения и времени.
Основными задачами функциональных дополнений являются:
обеспечение требуемой целостности спутниковых радионавигационных систем;
обеспечение требуемой доступности СРНС;
обеспечение необходимой непрерывности навигационных определений;
повышение точности навигации до требуемой.
Указанные задачи решаются использованием следующих методик:
использования дифференциального режима работы для повышения точности навигационных определений;
введения дополнительных спутников (геостационарных) для повышения доступности;
ведение наземных станций контроля целостности и специального канала передачи данных о целостности (GIC — GPS Integrity Channel) для повышения целостности.
Повышение целостности предусматривает наличие сети станций контроля целостности для обеспечения непрерывного контроля работоспособности системы в реальном масштабе времени и регионального вычислительного центра для обработки полученных от сети станций данных и формирования данных о целостности для передачи их потребителям [1].
1.2 Виды функциональных дополнений
В зависимости от методов решения поставленных задач и места размещения элементов функциональных дополнений различают три типа функциональных дополнений:
бортовые функциональные дополнения, реализуемые на борту надводных кораблей или на борту воздушного судна — Aircraftbased Augmentations Systems (ABAS) (по классификации ИКАО), использующие автономные методы контроля целостности RAIM & AAIM;
наземные функциональные дополнения — Ground-based Augmentation Systems (GBAS) (DGPS, LAAS, GRAS);
спутниковые функциональные дополнения — Space-based Augmentation Systems (SBAS).
В настоящее время используются пять широкозонных (спутниковых) системы функционального дополнения:
американская WAAS (Wide Area Augmentation System);
европейская EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay System);
индийская GAGAN (GPS and GEO Augmented Navigation);
японская MSAS (Multi-Functional Satellite Based Augmentation System);
российская СДКМ (система дифференциальной коррекции и мониторинга) [2].
Рабочие области спутниковых систем функционального дополнения представлены на рисунке 1. На территории Российской Федерации возможно использование EGNOS только в самой западной части.

Рисунок 1 - Зоны действия и область обслуживания SBAS
Разработанная в США система функционального дополнения с широкой зоной действия (WAAS), находится в эксплуатации с 2003 г. В 2007 г. Соединенные Штаты Америки приняли обязательство предоставлять «сигналы работающей на одной частоте WAAS на недискриминационной основе без взимания прямых сборов в зоне действия спутников WAAS в пределах установленной зоны обслуживания системы и обеспечить открытый свободный доступ к информации, необходимой для разработки и производства оборудования с целью использования этого вида обслуживания». В соответствии с двусторонними соглашениями Канада и Мексика размещают на своей территории опорные станции WAAS, обеспечивая таким образом обслуживание SBAS во всех трех странах.
Японская MSAS введена в эксплуатацию в 2007 г.
Европейская EGNOS введена в эксплуатацию в начале 2011 г. [5]
GAGAN была разработана в Индии, и введена в эксплуатацию в 2013 г.
Вышеуказанные системы осуществляют функциональное дополнение GPS и не обеспечивают эту функцию в отношении ГЛОНАСС.
Система дифференциальной коррекции и мониторинга (СДКМ) была разработана в Российской Федерации, и полностью введена в эксплуатацию в 2016 г.; система спроектирована для обеспечения пользователей ГНСС поправками и информацией о целостности для GPS и ГЛОНАСС.
1.3 Спутниковая система функционального дополнения SBAS
Спутниковая система функционального дополнения SBAS контролирует сигналы основного спутникового созвездия (GPS или ГЛОНАСС), используя сеть станций наблюдения, распределенных в пределах обширного географического района. Для каждого контролируемого спутника основного спутникового созвездия SBAS оценивает ошибки передаваемых параметров эфемерид и спутниковых часов и затем передает эти поправки и другие данные потребителям через геостационарный спутник.
SBAS состоит из трех отдельных элементов:
наземной инфраструктуры;
спутников SBAS;
бортового приемника SBAS.
Наземная инфраструктура включает станции мониторинга и обработки, которые принимают данные от навигационных спутников, рассчитывают целостность, поправки и дальномерную информацию, формирующие сигнал в пространстве SBAS.
Спутники SBAS ретранслируют данные от наземной инфраструктуры на бортовые приемники SBAS, которые определяют информацию о координатах и времени, используя основную орбитальную систему и спутники SBAS.
Бортовые приемники SBAS получают дальномерную информацию и поправки и используют эти данные для определения целостности и уточнения измеренного местоположения.
SBAS выполняет одну или несколько следующих функций:
измерение дальности: обеспечение дополнительного сигнала измерения псевдодальности с индикатором точности от спутника SBAS;
состояние спутника ГНСС: определение и передача информации о состоянии спутника ГНСС;
основная дифференциальная коррекция: предоставление спутником ГНСС поправок к эфемеридам и параметрам времени (краткосрочных и долгосрочных) для коррекции измеренных псевдодальностей до спутников;
высокоточная дифференциальная коррекция: формирование и передача ионосферных поправок.
Данные функции могут быть отнесены к операциям, которые обеспечиваются следующим образом:
измерение дальности: SBAS предоставляет дальномерный источник для использования с другими функциональными дополнениями (ABAS, GBAS или другим SBAS);
состояние спутника и основные дифференциальные поправки: SBAS обеспечивает обслуживание на маршруте, при операциях в аэродромной зоне и при неточном заходе на посадку. В различных зонах обслуживания могут поддерживаться различные операции (т. е. операции с использованием навигации, основанной на характеристиках);
точные дифференциальные поправки: SBAS обеспечивает точный заход на посадку и обслуживание APV.
Зона действия SBAS определяется зоной действия геостационарного спутника. В пределах этой зоны государства могут устанавливать районы обслуживания, в которых SBAS поддерживает утвержденные операции. Другие государства могут пользоваться сигналами, принимаемыми в зоне действия, двумя путями: внедряя компоненты SBAS, интегрированные с существующей SBAS, или разрешая использование сигналов SBAS. Первый вариант предполагает некоторую возможность контроля и улучшенные характеристики. Второй вариант не дает возможности контроля, а степень улучшения характеристик зависит от близости зоны действия SBAS к району обслуживания.
Хотя архитектура разных SBAS, находящихся в эксплуатации, различна, они передают сообщения стандартного формата на одной и той же частоте (GPS L1) и поэтому с точки зрения пользователя являются функционально совместимыми. Ожидается, что эти сети SBAS будут расширяться за пределы своих первоначальных зон обслуживания. Могут быть созданы также и другие сети SBAS. За пределами определенной области обслуживания SBAS также может обеспечивать точное и надежное обслуживание. Данные измерений, состояния спутника и основные функции дифференциальных поправок являются пригодными для использования во всей зоне действия. Характеристики этих функций технически адекватны для обеспечения полетов по маршруту и в зоне аэродрома, а также неточных заходов на посадку благодаря предоставлению данных мониторинга и целостности для спутников основной орбитальной системы и/или спутников SBAS. Единственная возможность недостоверности этих данных связана с наличием ошибки в эфемеридах спутника, которая не наблюдается наземной сетью SBAS, но создает неприемлемую ошибку за пределами зоны действия. Для пределов срабатывания сигнализации при неточном заходе на посадку от 0,3 м. мили и выше это весьма маловероятно.
SBAS контролирует сигналы GPS и/или ГЛОНАСС, используя сеть станций наблюдения, распределенных в пределах обширного географического района. Эти станции передают данные в центральный орган обработки, который оценивает достоверность сигнала и вычисляет поправки к передаваемым эфемеридам и к часам каждого спутника. Для каждого контролируемого спутника GPS или ГЛОНАСС SBAS оценивает ошибки передаваемых параметров эфемерид и спутниковых часов и затем передает эти поправки.
Сообщения целостности и поправки для каждого контролируемого источника дальности GPS и/или ГЛОНАСС передаются на частоте GPS L1 от спутников SBAS. Обычно, это геостационарные спутники (GEO), находящиеся на постоянных орбитах над экватором. Спутники SBAS предоставляют также сигналы дальности, похожие на сигналы GPS, однако эти сигналы дальности не могут приниматься основными приемниками ГНСС. Сообщения SBAS гарантируют целостность, повышают эксплуатационную готовность и обеспечивают характеристики, необходимые для APV.
SBAS используют измерения дальности на двух частотах, чтобы рассчитать задержку дальности, возникающую из-за воздействия ионосферы Земли, и передают поправки, соответствующие точкам предварительно рассчитанной сетки ионосферы. Приемник SBAS интерполирует данные между точками сетки для того, чтобы рассчитать ионосферную поправку вдоль линии прямой видимости до каждого спутника [4].
2 СИСТЕМА ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ДОПОЛНЕНИЯ EGNOS
2.1 Общие сведения о системе функционального дополнения EGNOS
С 1993 года по инициативе Европейского Космического Агентства (ESA), Европейской Комиссии (EC) и Европейской Организации по обеспечению безопасности самолётовождения (Eurocontrol) начались работы по созданию спутниковой системы функционального дополнения к системам ГЛОНАСС и GPS. Эта система, получившая название EGNOS (European Geostatoinary Navigation Overlay Service) - Европейская дополнительная геостационарная навигационная служба, – послужила прологом к созданию Европейской навигационной спутниковой системы Galileo.
С помощью системы EGNOS с борта геостационарных спутников для потребителей существующих глобальных спутниковых навигационных систем, таких как самолёты, корабли и аварийные службы, передаются данные дифференциальной коррекции, информация о целостности системы и другая дополнительная информация.
Технология работы системы EGNOS сводится к следующим процедурам:
на наземные станции поступают сигналы с борта спутников систем ГЛОНАСС и GPS;
с помощью специальной аппаратуры EGNOS происходит преобразование принятых сигналов, повышающее точность навигационного определения;
скорректированные сигналы снова излучаются на борт трёх гражданских геостационарных спутников;
приёмная аппаратура EGNOS, установленная на борту подвижных потребителей, принимает с борта геостационарных спутников телеметрическую информацию, обеспечивающую точное навигационное определение [3].
Зона действия EGNOS охватывает всю Европу, север Африки и небольшую европейскую часть России. 
2.2 Функциональные сегменты EGNOS
2.2.1 Наземный сегмент 
Наземный сегмент включает в себя сеть из 40 станций измерения дальности и мониторинга целостности (RIMS), 4 главных центров управления (MCC), 2 навигационных наземных станций (NLES), которые обеспечивают связь для всех компонентов наземного сегмента.
Станции измерения дальности и мониторинга RIMS действуют как накопители информации — пункты сбора информации. Они накапливают измерения дальности по спутникам GPS, ГЛОНАСС и EGNOS и направляют их в центр управления системой MCC. Для этого каждая RIMS оснащена приемником GNSS, способным принимать и обрабатывать сигналы GPS, ГЛОНАСС и EGNOS на частотах L1 и L2, а также высокоточными атомными часами. RIMS передают накопленную информацию во все центры управления EGNOS ежесекундно. Пункт RIMS состоит из двух каналов A (поставщик исходных данных для расчета широкозонных поправок) и B (поставщик исходных данных для формирования информации о целостности).
NLES частично выполняют функции RIMS, а также используются для закладки навигационной информации на борт и управления спутниками GEO. Передаваемые навигационные сообщения GEO должны быть точно синхронизированы с системным временем GPS. При закладке информации на борт GEO одна станция NLES является основной, а вторая — резервной.
Основные функции NLES:
формирование сообщений;
синхронизация сигналов;
закладка информации на геостационарные спутники.
MCC получают информацию от RIMS и генерируют сообщения коррекции для повышения точности спутникового сигнала и информационные сообщения о состоянии спутников (целостность). MCC действует как «мозг» системы EGNOS. Четыре MCC расположены в городах Торрехон (Испания), Гэтвик (Великобритания), Ланген (Германия), Чиампино (Италия) [7].
2.2.2 Сегмент поддержки
Наземный сегмент EGNOS включает в себя ряд вспомогательных элементов, предназначенных для выполнения работ по техническому обслуживанию и облегчения проверочных мероприятий:
PACF (Средство оценки и проверки производительности) обеспечивает поддержку управления EGNOS в такой области, как анализ производительности, устранение неполадок, эксплуатационные процедуры, а также обновление спецификации, поддержка технического обслуживания.
ASQF (специализированный квалификационный центр) предоставляет органам гражданской авиации и авиационной сертификации инструменты для аттестации и подтверждения различных приложений EGNOS [7].
2.2.3. Космический сегмент
Космический сегмент системы включает в себя 3 геостационарных спутника: два спутника Inmarsat-3, один из которых расположен над восточной части Атлантики (15.5°W), а другой над Индийским океаном (64.5°E), и спутник Artemis Европейского космического агентства, находящегося над Африкой (21.5°E). В отличие от спутников GPS и ГЛОНАСС, эти три космических аппарата не имеют на борту источника сигнала. Ретранслятор только повторяет сигналы, полученные от наземных станций [3].
2.2.4. Пользовательский сегмент
Пользовательский сегмент EGNOS состоит из приемников EGNOS, которые позволяют их пользователям точно вычислять свое местоположение. Для получения сигналов EGNOS конечный пользователь должен использовать EGNOS-совместимый приемник. В настоящее время EGNOS-совместимые приемники доступны для таких сегментов рынка, как сельское хозяйство, авиация, морские, железнодорожные, картографические, геодезические, автомобильные и локационные услуги (LBS) [7].
2.3 Услуги, предоставляемые EGNOS
EGNOS предоставляет три услуги:
Служба Safety of Life ( SoL ), предназначенная для транспортных приложений в областях, где жизнь может быть поставлена ​​под угрозу, если производительность навигационной системы снижается ниже определенных пределов точности без предупреждения пользователя в течение определенного времени.
Open Service ( OS ), которая предоставляет услуги синхронизации и определения местоположения любому пользователю, оснащенному соответствующим GPS / SBAS- совместимым приемником.
EGNOS Data Access Service (EDAS), которая предназначена для пользователей, которым требуются продукты EGNOS для коммерческого и профессионального использования [6].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Европейское космическое агентство, Европейская комиссия и Европейская организация по безопасности воздушной навигации (EUROCONTROL) совместно разрабатывают Европейскую систему функционального дополнения спутниковой навигации EGNOS. Для наземных, морских и воздушных гражданских потребителей систем GPS и ГЛОНАСС этот проект обеспечит улучшение характеристик точности, целостности и доступности.
Система EGNOS пока не имеет наземных станций в России, что означает невозможность применения системы на большей части территории России, в том числе и в авиации. Тем не менее, в таких областях, как Ленинградская, Псковская, Новгородская, Смоленская, республика Карелия, Мурманская практическая польза от использования EGNOS вполне возможна. Единственным исключением является Калининградская область, где приём и использование EGNOS выполняется обычным образом.
В 2019 - 2020 гг. планируется замена устаревших элементов программы управления аппаратными средствами и повышение тактико-технических характеристик системы в результате размещения новых станций и разработки дополнительных системных алгоритмов.
К 2025 году планируется введение в эксплуатацию системы EGNOS V3 второго поколения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Кульнев В., Михайлов С. Анализ направлений и состояния разработок функциональных дополнений к спутниковым радионавигационным системам. Беспроводные технологии, №3, 2006
2 Липин А.В., Ключников Ю.И. Применение зональной навигации при обслуживании воздушного движения. Учебное пособие - СПб.: Университет ГА, 2008. - 78 с.
3 Спутниковые навигационные системы, МАИ, 2004.-338 С.
4 Doc 8168. Производство полетов воздушных судов. Том I. Правила производства полетов. Издание пятое – 2006
5 Doc 9849. Руководство по глобальной навигационной спутниковой системе (GNSS)
6 European Global Navigation Satellite Systems Agenсy [Электронный ресурс] https://www.gsa.europa.eu/7 Czech space portal [Электронный ресурс] http://www.czechspaceportal.cz/