Резюме
Мониторинг состояния сигналов GPS в пространстве для целостности с быстрым временем ответа очень важен, если система предназначена для использования в гражданской авиации для проведения не точной посадки. Одна из альтернатив для обеспечения такой функции мониторинга, – это использование независимой системы мониторинга из нескольких наземных станций отслеживания сигналов, охватывающих регион, и спутникового канала для передачи сообщений для обеспечения информации о состоянии сигналов GPS в реальном времени. Данная статья вводит несколько новых концепций с решениями для принятия и отвержения сигналов GPS для навигации в независимой системе мониторинга.
Исполнение новой концепции оценивается через вероятность сигнала тревоги от уровня защиты ошибки положения, что представляет два важных параметра для метода целостности.
ВВЕДЕНИЕ
Фон (подоплека вопроса)
В настоящее время управляемая DoD система GPS доступна для гражданской авиации с начала 1990-х. Хотя GPS разработана как военная система, потенциально она может приносить значительную пользу в навигации для гражданских авиационных пользователей из-за её наивысшего исполнения через точность и охват, превосходя современные навигационные системы наземного базирования. Для GPS, которые широко используются для гражданской авиации, пользователи должны быть уверены в целостности сигналов спутников GPS. Целостность – это способность системы своевременно предупреждать своих пользователей о том, не вышла ли системы из выполнения отведенных ей пределов (допусков). Обеспечение функции целостности для GPS особенно важно, поскольку ошибочный навигационный сигнал может решительно повлиять на большое число пользователей одновременно на огромной площади. Сама GPS была запроектирована так, чтобы иметь расширенные возможности для самоконтроля. Однако в случае внезапной, неожиданной неисправности Сегмент операционного контроля (OCS) гарантирует время ответного предупреждения о неисправности в пределах 90 минут, что слишком много для навигации гражданских воздушных судов.
Альтернативные средства для обеспечения целостности сигналов GPS без использования каких-либо других систем навигации описаны и оценены. Один из подходов, называемый самодостаточным методом или автономным мониторингом целостности приёмника (RAIM), предназначен для выполнения функции мониторинга в приёмнике пользоваться с использованием сигналов GPS от избыточных спутников. В другом подходе используется наземная сеть мониторинга с системой целостности навигационного сообщения. Данная статья касается последнего подхода.
Независимая система мониторинга целостности GPS впервые была предложена корпорацией MITRE несколько лет назад. Эта система, называемая GPS Integrity Channel (GIC) – Канал целостности GPS – должна состоять из двух сегментов: Ground Monitoring Segment (GMS) – Сегмент наземного мониторинга – и Integrity Broadcast Segment (IBS) – Сегмент целостности навигационного сообщения. Система GPS включает несколько наземных мониторинговых станций, охватывающих обширный регион, и Станцию обработки целостности (или две станции для избыточности), совмещённых со станциями наземного мониторинга. IBS включает линию загрузки relay payload “piggy-backed” на геостационарные спутники, которые передают пользователям сообщения о целостности навигационного сообщения. Геостационарные спутники должны обладать наиболее надежными коммерческими или правительственными линиями связи.
Способ независимого мониторинга должен иметь следующие преимущества над самодостаточным подходом (способом):
1. В способе независимого мониторинга приёмнику пользователя не нужны избыточные спутники. С другой стороны, изучение самодостаточного метода указывает, что этот метод (методы) требуют минимум 6 спутников для удовлетворительного выполнения неточной посадки. Требование иметь в поле зрения 6 спутников трудно выполнимо. Это потому, что даже имея созвездие из 24 спутников видимость только 5 спутников может иметь место со значительной вероятностью.
2. В случае неверного функционирования спутника независимая система мониторинга может и выявить наличие ненормального условия, и идентифицировать, какой спутник неверно работает. Идентификация с высокой вероятностью может быть в самодостаточном методе, даже при 6 спутниках. По мнению автора, анализ самодостаточной целостности продемонстрировал, что идентификация может быть выполнена с высокой вероятностью при наличии режима SA. Нужно заметить, что возможность идентификации является необходимым условием для того, чтобы GPS стала простым средством навигационной системы, как только выявляется неверное функционирование, ошибочный спутник нужно устранять из позиционного решения.
С другой стороны, способ независимого мониторинга имеет несколько недостатков:
1. Это будет дорогое бремя для правительства.
2. Спутники, которые можно использовать для выполнения роли повторителя, чтобы передавать сообщения о целостности пользователям, ещё должны быть формализованы.
3. Метод должен иметь некоторое влияние на усложнение пользовательского приёмника и на цену.
Точка зрения и содержание статьи
Главная движущая сила этой статьи – ввести концепцию нового решения для принятия или отвержения сигнала GPS для навигации в GIC, независимой системе мониторинга GPS. В следующем разделе даётся обзор альтернативных концепций решения целостности, которые были идентифицированы ранее, а затем вводится решение о новой концепции, называемой НМАХ. В следующем разделе оценивается исполнение концепции НМАХ через вероятность сигнала тревоги от уровня защиты ошибки положения, которые представляют два важных параметра для любого метода [оценки] целостности. В последующем разделе дана сводка по работе.
Альтернативные концепции решения
В этом разделе описываются альтернативные концепции на решение, которое могут использоваться в GIC. Даётся обзор альтернативной концепции, которые ранее обсуждались или описывались в литературе и вводится концепция НМАХ.
Тревожный предел в дальности до спутника / эфемериды
Можно установить сигнал тревоги, в котором ошибки дальности до спутника/эфемерид будут ненормально превосходить их статистические характеристики. Если определено, что ошибки спутника превышают эти пределы в течение короткого периода времени, GMS объявляет спутник “неиспользуемым”. Это решение делается независимо от фазы полёта. Авионика исполняет сообщение о целостности не использовать любой спутник с состоянием “unusable” – неиспользуемый. Более того, авионике нужно разрешить использовать только комбинацию из “usable” спутников с HDOP в пределах допуска, по вероятности основываясь на фазе полёта.
Эта концепция, обсуждаемая в подобна концепции решения о целостности, используемой в системе навигации как VOR/DME. Поскольку концепция имеет преимущество, индикатор состояния спутника не отражает особое влияние на точность положения пользователя. Как результат, это альтернатива может не гарантировать пользователю любой особый уровень точности положения, не вызывая неприемлемый темп ложной тревоги из-за тревожных пределов ошибки положения.
Плохая точность положения пользователя, оцененная GMS
По этой концепции, изложенной в GMS оценивает ошибки для каждого отдельного спутника и затем предсказывает влияние этих ошибок на точность положения пользователя. Поскольку влияние изменения как функция положения пользователя, оно должно оцениваться для ряда представительных положений во всем регионе применения. Поскольку решение о целостности делается в отношении точности положения пользователя, эта альтернатива гарантирует пользователю определённую точность позиции для каждой фазы полёта. Однако могут потребоваться большие мощности в обработке для GMS по двум причинам. Во-первых, как утверждалось выше, влияние ошибок спутника на точность положения пользователя должно проверяться для нескольких представительных положений. Во-вторых, для каждого положения есть большое число различных комбинаций спутников, которые могут быть использованы для определения положения. GMS вынуждена проверять влияние многих из этих комбинаций. В зависимости от региона, рассматриваемого в определении плохой точности положения, этот выбор может быть одним из следующих случаев:
Плохая точность положения для всего региона применения
В этом варианте GMS определяет спутники, которые будут неблагоприятно влиять на определение положения пользователя во всем регионе (например, CONUS - Континентальная часть США). Передаваемое по радио сообщение содержит информацию о состоянии каждого спутника для каждой фазы полёта. Авионика пользователя исполняет сообщение о целостности, чтобы не использовать какой-либо спутник, чей статус указан как “unusable” для соответствующей фазы полёта. В этом варианте сигнал тревоги может вызвать значительное операционное влияние, поскольку статус тревоги спутника, решённый на основе очень плохой точности положения заставит всех приёмников региона не использовать спутник, даже если он может не неблагоприятно влиять на точность определения положения подсети пользователей.
Плохая точность положения для части региона применения
В этом варианте весь регион применения делится на множество субрегионов, и статус спутника определяется раздельно для каждого региона. Передаваемое по радио сообщение содержит статус каждого спутника для каждой фазы полёта по отношению к каждому субрегиону. Использование множества субрегионов может понизить операционное влияние ложной тревоги, поскольку каждая авионика будет работать с сообщением о статусе, присущем её собственному субрегиону. Однако размер сообщения будет увеличен, что может в свою очередь потребовать радиоканала для передачи сообщений с более высокой скоростью и/или больше времени на ответ с предупреждением о неправильном функционировании.
Ошибки в дифференциальных поправках для спутника
В этом варианте GMS оценивает действительные ошибки спутника и передает их по радио пользователю. Используя эти ошибки, авионика пользователя может исправлять данные, полученные по сигналам GPS так, что положение может определить намного более точно для каждой пользователя. Возможный недостаток состоит в том, что функции навигации и целостность смешиваются.
Использование составных интервалов в ошибках
эфемерид и дальности спутника
Этот метод может рассматриваться как вариант упомянутой выше концепции дифференциальных поправок. В этом методе полное рассмотрение возможных ошибок делится на составные интервалы. При оценивании ошибок спутника GMS отображает их в соответствующих интервалах. Передаваемое по радио сообщение содержит идентификацию интервалов, описывающих ошибки для каждого спутника. Авионика определяет для каждой комбинации спутников, отвечает ли точность положения требованиям в данной фазе полёта, используя информацию из сообщения и геометрию пользователь-спутник для каждой априорной приемлемой возможной комбинации спутников.
Концепция НМАХ
Эта концепция основана на теореме о том, что если самая большая ошибка спутника в позиционном решении ограничена по величине, то можно вывести верхнюю границу ошибки положения в решении. Эти две границы связаны скаляром, называемым НМАХ, который изменяется как функция геометрии пользователь-спутник. В этой концепции GMS вначале оценивает ошибку каждого спутника и проверяет, находится ли ошибка внутри определённого заранее установленного допуска Е, и соответственно устанавливает индикатор состояния спутника (т.е. ниже или выше Е). Эта информация о статусе спутника передаётся по радио на авионику, которая затем выбирает комбинацию спутников, чьи ошибки заявлены меньше, чем Е, а затем вычисляет НМАХ для выбранной комбинации спутников. Умножив HMAX на Е (НМАХ´Е), авионика затем определяет верхнюю границу ошибки его положения и таким образом приемлемость точности для данной фазы полёта. Чтобы помочь авионике идентифицировать более быстро приемлемую комбинацию спутников рекомендуется множество пределов.
Эта концепция очень много обещающая, потому что имеет ту же простоту, что метод тревожного предела в расстояниях/эфемеридах, и может обеспечить намного более низкую скорость ложной тревоги. Поэтому в следующем разделе эта концепция обсуждается и анализируется в деталях.
Перевод К.М. Антоновича