Методология создания локальной системы позиционирования подразделений пожарной охраны МЧС России на основе ретрансляции сигналов глобальной навигационной системы ГЛОНАСС (28.10.2011)

Автор: Терехин Сергей Николаевич

Для эффективного решения задач ЕДДС используют средства автоматизации процессов передачи и обработки информации, организованные в виде территориально распределенной компьютерной сети.

В качестве абонентов сети выступают Национальный и региональные центры управления в кризисных ситуациях, ЕДДС субъектов Российской Федерации. Национальный и региональные центры управления в кризисных ситуациях имеют в своем составе локальные вычислительные сети, а ЕДДС может рассматриваться как компьютерная сеть регионального уровня.

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 (рисунок 1).

Рисунок 1 – Система управления АУИС РСЧС

Важную роль при угрозе или возникновении ЧС играют дежурные и дежурно-диспетчерские органы городских (районных) служб. Дежурно-диспетчерские службы функционируют, как правило, в круглосуточном режиме и находятся в постоянной готовности к действиям по проведению необходимых экстренных мер по защите населения в ЧС. На этапе возникновения и в ходе ликвидации масштабной чрезвычайной ситуации возрастает необходимость координации действий дежурно-диспетчерских служб, а через них – действий сил и средств городского (районного) звена РСЧС, привлекаемых к аварийно-спасательным работам. Эта координация осуществляется в рамках единых дежурно-диспетчерских служб.

Рисунок 2 – Программно-аппаратный комплекс ЕДДС

Одной из важнейших задач, решаемых на каждом уровне иерархической системы управления МЧС России, является задача навигации и мониторинга. В общем случае навигационные системы используются в деятельности мобильных патрульных нарядов, пожарных и дежурных автомобилей, машин скорой помощи, боевых машин различного назначения, мобильных радиотехнических и радиоэлектронных систем, автотранспорта, воинских подразделений, а также одиночных сотрудников милиций и военнослужащих. Основными задачами навигации являются определение параметров положения и движения подвижных объектов и моментов времени, к которым они относятся, а также управление их движением для достижения конкретных целей оперативных служб. Однако существует ряд задач, выполнение которых осуществляется в закрытых помещениях, требует навигационной поддержки, но прием сигналов в этих условиях проблематичен, а порой и невозможен. Показано, что наиболее перспективным направлением в этом случае является спутниковая навигация. Необходимость использования космических навигационных систем обусловлена в первую очередь недостатками традиционных систем, использовавшихся для этих целей. Так, методы навигации по естественным магнитным и гравитационным полям характеризуются относительно невысокой точностью. Астронавигационные системы подвержены возмущающему воздействию метеорологических факторов. Кроме того, при их использовании возникают трудности, связанные с автоматизацией процессов поиска, идентификации и слежения за звездами.

Космические навигационные системы обеспечивают глобальное непрерывное оперативное навигационно-временное определение параметров подвижных объектов на земной и водной поверхностях, в воздушном и ближнем космическом пространстве. Помимо задач определения параметров положения и движения подвижных объектов навигационные системы успешно решают задачи мониторинга территорий и различных технологических объектов.

Глобальные навигационные спутниковые системы при сегодняшних темпах развития информационных технологий и технических средств их воплощения имеют высокие тактико-технические и эксплуатационные характеристики.

В то же время глобальные навигационные спутниковые системы наряду с очевидными преимуществами – глобальностью и высокой точностью определения местоположения объектов – обладают существенными недостатками.

Один из недостатков систем ГНСС заключается в ограниченной возможности использования этих систем в условиях, когда исключена прямая видимость спутников – в городских условиях, в глубоких горных выработках, в закрытых помещениях, в зданиях, в тоннелях и т.д. Поэтому важным направлением являются исследования возможности применения систем навигации в перечисленных областях применения с использованием псевдоспутников. Повышение точности и надежности местоопределения при использовании псевдоспутников обеспечивается за счет ретрансляции адаптированного к конкретным условиям распространения сигнала и отсутствие эфемеридных и ионосферных погрешностей. В главе рассмотрены принципы ретрансляции сигналов и их использование в спутниковой радионавигации.

В общем случае назначение псевдоспутников заключается в создании в локальном районе с ограниченным доступом сигналов спутников ГНСС дополнительных источников информации, позволяющих при совместной обработке с доступными сигналами ГНСС обеспечить навигационные определения или мониторинг конкретных объектов.

Технические средства, используемые в настоящее время подразделениями МЧС при ликвидации ЧС внутри зданий и сооружений в условиях задымлений и разрушений, решение задач позиционирования в полном объеме не выполняют. С учетом задач, решаемых в рамках МЧС России, а также технических возможностей аппаратуры потребителей ГНСС, к настоящему времени, сформировалось три основных метода ретрансляции навигационных данных:

метод ретрансляции данных с полной обработкой измеряемых параметров;

метод ретрансляции данных без обработки измеряемых параметров;

метод ретрансляции данных без обработки измеряемых параметров с совмещением их в едином канале с другой измерительной информацией.

Рассмотрены также основные принципы и технические решения ретрансляции сигналов ГНСС на примере их технической реализации в GPS-приложениях. С учетом определенных особенностей, схемы построения ретрансляторов для сигналов ГНСС с кодовым разделением могут быть применены и для ГНС с частотным разделением сигналов.

Таким образом, разработка теоретических основ, определяющих облик систем позиционирования подразделений МЧС России в закрытых помещениях зданий и сооружений, является актуальной задачей.

Во второй главе 2 «Разработка методов обработки ретранслированных сигналов для определения координат мобильных объектов пожарной охраны МЧС России» предложены алгоритмы обработки ретранслированных сигналов для определения координат мобильных объектов. Показано, что организация приема прямых и ретранслированных сигналов ГНСС одновременно на несколько разнесенных в пространстве наземных измерительных пунктов (НИП) позволяет сократить число навигационных космических аппаратов (НКА), необходимых для определения координат потребителя.

до нескольких НКА, угол визирования (, угловая скорость ( и т.п., по которым и рассчитываются искомые компоненты вектора состояния.

. Соответствующая им дальность «НКА – потребитель» R или радиальная скорость потребителя относительно НКА Vr – являются навигационными параметрами, а связывающие их навигационные функции в данном случае имеют вид:

В качестве основных позиционных методов определения координат в ГНСС второго поколения в НАП обычно используются псевдодальномерный или разностно-дальномерный методы, а для получения составляющих вектора скорости потребителя применяют псевдорадиально-скоростной (псевдодоплеровский) метод. Использование более простого дальномерного метода навигационных определений нецелесообразно из-за отсутствия в большинстве моделей НАП ГНСС компактных и дешевых высокостабильных эталонов времени (частоты).

Использование ретрансляции сигналов НКА расширяет число позиционных методов, подходящих для решения НЗ, по сравнению с традиционными методами решения задач координатно-временных определений в ГНСС.

Очевидно, что основными методами для решения НЗ по ретранслированным сигналам НКА ГНСС останутся различные варианты дальномерных измерений.

Для случая совместного использования прямых и ретранслированных сигналов НКА общий вид системы уравнений для псевдодальномерных совместных измерений по прямым и ретранслированным сигналам НКА имеет вид:

, не зависящие от положения потребителя, в принципе могут не проводиться. Однако включение в НИП каналов приема сигналов непосредственно от НКА позволяет эффективно использовать их в качестве независимого источника вспомогательных данных. Например, для выделения служебной информации от НКА, синхронизации нескольких НИП, определения координат подвижного НИП, а также для организации режимов относительных (дифференциальных) измерений.

Организация приема прямых и ретранслированных сигналов ГНСС одновременно на несколько разнесенных в пространстве НИП позволяет сократить число НКА, необходимых для определения координат потребителя, например суммарно-дальномерным методом, а также применять дополнительно угломерные методы определения линии положения без использования направленных антенн. При этом каждые два НИП можно рассматривать в качестве одной базы фазового интерферометра, когерентность приемников которого обеспечивается путем обработки прямых сигналов НКА.

Если погрешность взаимной синхронизации навигационных приемников, установленных на разнесенных НИП, недостаточна для обработки фазовых измерений, то целесообразно использование в качестве радионавигационного параметра (РНП) разностей доплеровских частот ретранслированных сигналов одного НКА, принятых разными НИП. В этом случае градиент разностно-доплеровского метода существенно больше, чем его значение при обработке сигналов от разных НКА. Это позволяет применять разности доплеровских частот для совместного определения координат и скорости потребителя. Совместное использование разностно-доплеровского метода и суммарно-дальномерного при приеме сигналов на разнесенные НИП позволяет сократить минимально необходимое число ретранслируемых сигналов НКА до одного, что особенно важно в случае необходимости ретрансляции сигналов только ГНС ГЛОНАСС.

Дополнительную информацию о положении потребителя может дать применение в антенной системе НИП нескольких разнесенных в пространстве антенн, т.е. интерферометра с малой базой из двух или трех антенн. При измерении интерферометром разности фаз любых сигналов, принятых от потребителя, такая антенная система позволяет определять пеленг на объект с пункта расположения одного НИП. Совместная обработка данных пеленгования от нескольких НИП может дать оценку положения источника излучения на плоскости или в пространстве.

в прямоугольной системе координат имеет выражение:

используется формула:

из которой видно, что в позиционных методах местоопределения необходимо стремиться к увеличению градиента поля НП.

Общими позиционными методами навигационных определений как по сигналам только НКА ГНСС, так и при использовании ретрансляторов этих сигналов являются: псевдодальномерный и разностно-дальномерный методы для координат и соответствующие им псевдодоплеровский и разностно-доплеровский методы для определения составляющих вектора скорости.

Известно, что при одинаковых погрешностях измерения РНП точности оптимальных по методу наименьших квадратов оценок координат псевдодальномерного и разностно-дальномерного методов совпадают. Поскольку градиенты псевдодальномерного и псевдодоплеровского, а также разностно-дальномерного и разностно-доплеровского методов одинаковые, при таких же условиях совпадают и соответствующие оценки составляющих вектора скорости, найденные с помощью псевдодоплеровского и разностно-доплеровского методов.

Таким образом, потенциальная точность по критерию минимальной погрешности определения поверхностей положения для указанных выше методов одинакова, как для измерений РНП непосредственно по сигналам НКА, так и при приеме только ретранслированных сигналов.

Значения градиентов суммарно-дальномерного (суммарно-доплеровского) и угломерного методов для определения координат и скорости потребителя должны определяться с учетом возможного на практике положения потребителя относительного НКА и одного или нескольких НИП.

19900…26100 км.

Таким образом, выполняются следующие соотношения:

, используя известное выражение для косинуса угла в треугольнике:

Тогда с учетом известного преобразования для косинуса половинного угла можно записать следующее


загрузка...