Использование радиомаяков для построения дифференциального режима работы глобальной навигационной спутниковой системы

Находящиеся в эксплуатации спутниковые навигационные системы GLONASS и GPS в 1996 г. были одобрены Международной морской организацией (ИМО) в качестве компонентов Всемирной радионавигационной системы. При одобрении систем GLONASS и GPS ИМО отметила неспособность каждой из них обеспечить в штатном режиме точность, необходимую для безопасной навигации судов на подходах к портам и в других водах, в которых свобода маневрирования может быть ограничена.

Анатолий Коровин, капитан-координатор морского спасательного подцентра Петропавловск-Камчатский, доктор транспорта

Наиболее рациональным путем устранения таких недостатков и улучшения основных характеристик систем GLONASS и GPS, необходимых для расширения их функциональных возможностей, является применение дифференциального режима работы этих систем, что позволяет добиться повышения точности, надежности и эффективности радионавигационного обеспечения в рабочих зонах дифференциальных подсистем спутниковых навигационных систем (СНС). Морские дифференциальные подсистемы СНС должны работать непрерывно и обеспечивать передачу потребителям дифференциальных сообщений в формате, соответствующем стандарту. При этом обеспечивается возможность получения надежных навигационных определений в реальном масштабе времени с интервалами не более 5-10 с. Погрешности определения места увеличиваются с увеличением расстояния от опорной станции и старением дифференциальных поправок, но не должны превышать 10 м в рабочей зоне с вероятностью 0,95.

Дифференциальный режим может рассматриваться как наиболее перспективный для обеспечения плавания в условиях ограниченного маневрирования, включая узкости, каналы, сложные фарватеры и подходы к портам, а также при обеспечении и проведении поисковых и спасательных работ в прибрежных водах.

Использование стационарных радиомаяков для дифференциальной глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) рассматривается в статье как создание подсистемы в автоматизированной системе обеспечения безопасности мореплавания и системе проведения поисково-спасательных работ в прибрежных морских пространствах.

В любом случае необходимость применения дифференциальных систем диктуется целым рядом обстоятельств, которые выдвигает ИМО к точности навигации. Область применения современной точности навигации значительна:

-         организация поисково-спасательных операций в районе бедствия;

-         расчет поисково-спасательных районов;

-         обеспечение безопасного плавания на акваториях портов и на подходах к ним;

-         использование в системе управления движением судов (СУДС);

-         координирование средств навигационного оборудования (СНО);

-         съемка особой экономической зоны;

-         мониторинг судов в промысловых районах;

-         высокоточное навигационное обеспечение локальных морских работ;

-         промерные и дноуглубительные работы;

-         лоцманские проводки судов;

-         экологический мониторинг.

 

Постановка вопроса

В связи с ожидаемым подъемом активной деятельности в морских пространствах полуострова Камчатка и в других северных морях возникает необходимость использовать инфраструктуру маячной службы для передачи дифференцирующих поправок.

В целях обеспечения поисковых и спасательных работ в регионе, усиления государственного контроля безопасности судоходства, минимизации аварийности флота открывающимися перспективами развития порта Петропавловск-Камчатский предпринято комплексное исследование. Оно связано с обеспечением безопасного плавания судов путем внедрения в Авачинской губе и на подходах к ней автоматизированной системы обеспечения безопасности судоходства и систем обеспечения поиска и спасания на море, а реализация перспективного плана создания и развития такой инфраструктуры способствовала бы повышению уровня безопасности мореплавания, что является, несомненно, актуальным.

 

Цели и задачи

Основа выполненных исследований состоит в обосновании необходимости дополнительного использования радиомаяков на мысе Маячный и мысе Сероглазка, а также маяков в Беринговом и Охотском морях. Их постоянное и выверенное позиционирование может быть применено для создания дифференциальных подсистем при внедрении современных автоматизированных систем обеспечения безопасности мореплавания и систем спасания на море. Поставленная цель определяет основные задачи, в число которых входят:

-         сбор и анализ фактических данных по аварийности флота;

-         обобщение опыта деятельности морского спасательного подцентра Петропавловск-Камчатский при организации поисково-спасательных операций;

-         разработка концептуальных положений перспективного развития инфраструктуры порта Петропавловск-Камчатский, определяющих международный статус порта как «безопасный порт».

Объектом исследования является деятельность морского спасательного подцентра (МСПЦ) Петропавловск-Камчатский по обеспечению безопасности мореплавания в регионе при реализации перспективных инновационных проектов.

 

Методика

Методическую основу исследования составляет системный подход в решении последовательного и поэтапного развертывания систем обеспечения безопасности мореплавания и перспектив их дальнейшего развития. В методическую основу исследования легло применение теории сложных систем, системного анализа и имитационного моделирования, элементов теории надежности и массового обслуживания, теоретических основ морской радиолокации и радионавигации, теории автоматического управления, обработки и передачи информации, методов математической статистики и обработки экспериментальных данных, эмпирического обобщения.

Достоверность результатов основана на исследовании реальных процессов, происходивших в Авачинском заливе, Охотском и Беринговом морях, связанных с аварийностью флота. Оценка безопасности мореплавания определялась на основании статистических данных.

Научно-практическая новизна полученных результатов состоит в следующем:

-         обосновании и разработке концепции создания и развития системы обеспечения поиска и спасания на море, системы обеспечения безопасности судоходства в Авачинском заливе и Авачинской губе, включающей систему управления движением судов (СУДС) с использованием дифференциальных подсистем;

-         исследовании и разработке организационных и технологических принципов создания СУДС в Авачинском заливе и Авачинской губе на основе комплексного использования дифференциальных подсистем, радиолокационного контроля, автоматической идентификационной системы (АИС) и системы судовых сообщений;

-         применении исследуемых компонентов и систем для эффективного проведения поисковых и спасательных работ в прибрежных водах.

Практическая значимость заключается в том, что на основании проведенных исследований учтены сложные экономические условия государства и сделаны практические предложения по поэтапному размещению и приведению в действие автоматизированной системы обеспечения безопасности мореплавания, в том числе и систем спасания в морях, примыкающих к Камчатскому полуострову и порту Петропавловск-Камчатский. В соответствии с разработанной концепцией предложена реализация системы безопасности мореплавания в Авачинском заливе. Рекомендуется использование радиомаяков для создания дифференциальной подсистемы СНС GLONASS.

 

Исследование вопроса

На основании данных, которыми располагает морской спасательный подцентр (МСПЦ) Петропавловск-Камчатский, можно сделать выводы, что аварийность флота остается устойчиво высокой. Изменить аварийность существующими методами и способами не удается (табл. 1). Анализ аварийности за 2005-2010 годы показывает, что число аварийных случаев на морских бассейнах страны продолжает оставаться стабильно высоким.

 

Таблица 1. Итоги деятельности морских спасательных центров Госморспасслужбы России за 2005-2010 гг.

Параметры	2005	2006	2007	2008	2009	2010	Всего
Всего аварийных инцидентов	267	298	302	182	234	255	1538
Проведено поисково-спасательных операций	128	152	151	57	59	33	580
Спасено людей	341	783	1089	335	315	413	3276
В т.ч. иностранцев	98	55	89	113	22	9	386
Обработано аварийных сообщений	789	832	712	739	488	402	3962
Из них ложных	724	719	584	664	465	334	3490
Эвакуировано больных	26	41	51	34	40	51	243
Всего медицинских консультаций	20	18	22	24	31	34	233
Участие в оказании помощи судам	33	50	57	49	119	81	389

 

Системы дифференциальной коррекции

Существует несколько систем, которые посылают уточняющую информацию («дифференциальную поправку к координатам»), позволяющую повысить точность измерения координат приемника до десяти сантиметров. Дифференциальная поправка пересылается либо с геостационарных спутников, либо с наземных базовых станций.

Система ГЛОНАСС разработана в России и должна иметь в своем штатном составе 24 ИСЗ. Система ГЛОНАСС способна обеспечивать точность обсерваций до 45 м (с вероятностью 95%). Расширение функциональных возможностей ГНСС с целью повышения точности, надежности и эффективности радионавигационного обеспечения достигается введением дифференциального режима работы, который рассматривается как наиболее перспективный при плавании в узкостях, по каналам и на подходах к портам, где ИМО предлагает ввести допустимую погрешность определения места судна не более 10 м с вероятностью Р = 0,95.

Дифференциальный режим работы системы DGPS основан на знании точного географического положения опорной станции (ОС), координаты которой используются для расчета поправок к измеряемым псевдодальностям до всех спутников в зоне радиовидимости ОС. Поправки как разности измеряемых и расчетных значений псевдодальностей передаются всем потребителям в зоне действия ОС дифференциальной подсистемы (рис. 1). Потребитель в свою очередь вычитает полученные поправки из измеренных псевдодальностей и псевдоскоростей.

 

Рис. 1. Береговые автоматизированные контрольно-корректирующие станции (ККС) дифференциальных подсистем

 

Международная ассоциация маячных служб (МАМС) предложила использовать инфраструктуру маячной службы для передачи дифференцирующих поправок.

Использование существующей базы радиомаяков-передатчиков, антенных систем, энергоснабжения позволяет существенно снизить расходы при развертывании дифференциальной подсистемы в районе порта Петропавловск-Камчатский.

Требования к характеристикам дифференциальной подсистемы ГНСС определены для важнейших случаев ее применения, а именно:

-         обеспечения безопасного плавания на акваториях портов и на подходах к ним;

-         организации поисково-спасательных операций силами флота и авиации;

-         мониторинга промысловых судов и в первую очередь маломерных судов;

-         использования в системе управления движением судов в заданном регионе;

-         координирования средств навигационного оборудования (СНО);

-         съемки особой экономической зоны.

Отдельные модели спутниковых приемников позволяют производить так называемое дифференциальное измерение расстояний между двумя точками с большой точностью (сантиметры). Для этого измеряется положение навигатора в двух точках с небольшим промежутком времени. При этом, каждое такое измерение имеет точность 10-15 метров без наземной системы корректировки и 1-15 сантиметров с такой системой.

Измеренное расстояние имеет погрешность намного меньшую, так как факторы, мешающие измерению (погрешность орбит спутников, неоднородность атмосферы в данном месте Земли и т.д.), в этом случае взаимно вычитаются. Кроме того, есть несколько систем, которые посылают уточняющую информацию (дифференциальную поправку к координатам), позволяющую повысить точность измерения координат приемника до десяти сантиметров. Дифференциальная поправка пересылается либо с геостационарных спутников, либо с наземных базовых станций.

Выбор места размещения ОС дифференциальной подсистемы обусловливается следующими факторами:

-         заданной погрешностью определения места 10 м (при Р = 0,95), которая должна обеспечиваться в пределах зоны действия дифференциальной подсистемы и охватывать наиболее сложные в навигационном отношении районы плавания, включая всю Авачинскую губу, весь фарватер плавания на Авачинских створах, в том числе вход со стороны Авачинского залива, а также бухты Саранная, Жировая, Вилючинская, Русская;

-         жесткими требованиями к доступности дифференциальной подсистемы (99,7-99,9%) при ее использовании в СУДС и плавании в узкостях;

-         существующей инфраструктурой для развертывания аппаратуры ОС, а также наличием надежной линии связи с Центром управления СУДС.

Ориентировочные расчеты значений напряженности поля для излучаемой мощности радиомаяка Ризл = 100 Вт показывают, что гарантированная точность определения (10 м) обеспечивается в зоне радиусом не менее 100 миль, а площадь уверенного приема сигнала ОС составляет не менее 480-480 миль.

Затраты на развертывание радиомаяка сравнительно невелики (около $200 тыс.) при условии его привязки к объекту с необходимой инфраструктурой (действующий радиомаяк средневолнового диапазона).

 

Рис. 2. Схема обработки и передачи дифференциальных поправок

 

При установке ГЛОНАСС на мысе Маячный можно обеспечить большую точность местоположения судов не только в Авачинском заливе, но и на побережье Камчатки от мыса Лопатка до мыса Шипунский. Обзор современного состояния дифференциальных систем спутниковой навигации представляет собой следующую картину на рис. 2. В данной статье предлагается рассмотреть особенности современных дифференциальных систем, которые позволяют существенно повысить точность определения координат потребителя. Точность определения координат потребителя, которую обеспечивает система GLONASS, составляет около 10 метров. Однако для многих приложений, таких как навигация автомобилей, а если рассматривать вопрос шире, то и позиционирование судов на узких фарватерах, в геодезии, навигации летательных аппаратов, подобная точность недостаточна. Для увеличения точности определения места был предложен метод дифференциальной навигации, который обеспечивает точности до нескольких десятков сантиметров. Дифференциальный режим реализуется с помощью контрольного навигационного приемника, называемого базовой станцией. Базовая станция устанавливается в точке с известными географическими координатами. Сравнивая известные координаты (полученные в результате прецизионной геодезической съемки) с измеренными координатами, базовый навигационный приемник формирует поправки, которые передаются потребителям по каналам связи (рис. 3). Приемник потребителя учитывает принятые от базовой станции поправки при решении навигационной задачи. Это позволяет определить его координаты с точностью до одного метра.

 

Рис. 3. Метод DGPS повышает точность координат

 

Результаты, полученные с помощью дифференциального метода, в значительной степени зависят от расстояния между потребителем и базовой станцией. Применение этого метода наиболее эффективно, когда преобладающими являются систематические ошибки, обусловленные внешними (по отношению к приемнику) причинами. Эти ошибки в значительной мере компенсируются при близком расположении базовой станции и приемника потребителя. Поэтому зона обслуживания базовой станции составляет не более 500 километров. Передача дифференциальных поправок от базовой станции к потребителю может осуществляться с помощью телефонной связи или радиосвязи, по системам спутниковой связи (например, INMARSAT), а также с использованием технологии передачи цифровых данных RDS (Radio Data System) на частотах FM-радиостанций. В настоящее время во многих странах уже действует развитая сеть базовых (дифференциальных) станций, постоянно транслирующих поправки на определенную территорию. Например, в США дифференциальные поправки передаются береговой охраной через морские радиобуи, работающие на частоте 283,5-325 кГц. Пользоваться этим сервисом может любой желающий. Под Санкт-Петербургом в феврале 1998 года была установлена первая базовая станция. Она передает дифференциальные поправки на частоте 298,5 кГц. Достигаемая точность определения места судна применима в создании автоматизированных систем безопасности мореплавания в порту Петропавловск-Камчатский, особенно при плавании на фарватерах под проводкой СУДС. Это также применимо и при эксплуатации автомобильного транспорта города Петропавловска-Камчатского с установленной аппаратурой ГЛОНАСС. Федеральная целевая программа по использованию глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС в интересах гражданских потребителей должна широко применяться.

 

Заключение

1. Использование морских дифференциальных подсистем СНС с целью повышения характеристик точности в соответствии с Резолюциями ИМО, в частности А.815(19), признано обязательным для навигационного обеспечения судов. Это необходимо в целях безопасности их плавания на подходах к портам, в узкостях и в районах с ограниченной свободой маневрирования, а также проведения эффективного поиска и спасания.

2. Целесообразность развертывания сети контрольно-корректирующих станций морской дифференциальной подсистемы СНС ГЛОНАСС/GPS определяется необходимостью для создания надежного навигационного средства обеспечения безопасного плавания судов. При этом обеспечивается эффективная эксплуатация судов, а также предотвращение экологических бедствий на акваториях с интенсивным судоходством, на подходах к портам, в портовых водах и в узкостях, где свобода маневрирования ограничена. Проведение спасательных работ в море и прибрежной зоне становится более эффективным.

3. Сеть контрольно-корректирующих станций является базовым техническим средством, обеспечивающим высокоточную координатно-временную информацию о местоположении судов в прибрежной акватории. Эта сеть организуется в тех районах, где интенсивность движения судов и существующее навигационно-гидрографическое обеспечение требуют повышения уровня безопасности плавания судов с целью защиты окружающей среды, а также сокращения простоев судов и достижения ритмичности работы флота, обеспечения качественного спасания на море.

4. Приемная станция обеспечивает прием сигналов от всех навигационных космических аппаратов (НКА) СНС ГЛОНАСС/GPS, находящихся в зоне радиовидимости антенны. Затем, используя известные точные координаты местоположения приемной антенны опорной станции, формирует и передает на радиомаяк дифференциальные поправки к измеренным псевдодальностям относительно каждого спутника в виде стандартных сообщений в формате RTCM SC-104. Дополнительно в состав сообщений включена оперативная информация о возможных нарушениях в функционировании оборудования дифференциальной подсистемы и НКА СНС ГЛОНАСС, GPS. Радиомаяк ККС передает сформированные поправки и оперативную информацию в виде корректирующего сигнала DGPS и ГЛОНАСС в эфир. Судовые навигационные приемники, принимая одновременно сигналы СНС ГЛОНАСС, GPS и сигналы радиомаяка, содержащие дифференциальные поправки, определяют местоположение судна с погрешностью, не превышающей единицы метров.

5. Дифференциальный режим СНС является наиболее перспективным для обеспечения плавания в условиях стесненного маневрирования, включая узкости, каналы и подходы к портам. При использовании дифференциального режима работы СНС, применяя их на существующих в прибрежной зоне радиомаяках, могут быть также успешно решены следующие специальные навигационные задачи:

а) обеспечение высокоточного судовождения на внутренних водных путях (реках, озерах и водохранилищах), а также расчеты и организация поисково-спасательного обеспечения в открытом море и внутренних водоемах;

б) мониторинг промысла водных биоресурсов как в открытом море, так и в прибрежных водах, узкостях и в районах со сложной навигационной обстановкой;

в) высокоточный промер глубин в прибрежных водах и узкостях;

г) точная установка и контроль местоположения плавучих средств навигационного ограждения как на море, так и на реках и в узкостях;

д) прокладка кабелей и трубопроводов как в прибрежных водах, так и в открытом море;

е) геодезические и другие научные исследования в любых районах мира;

ж) обеспечение добычи полезных ископаемых и проведения необходимых изыскательских работ.

Представленный материал можно рассматривать как перспективу развития автоматизированных систем обеспечения безопасности мореплавания, поскольку каждая из систем могла бы дополнять и заменять друг друга.

 

Морские вести России №16 (2015)