Определение координат и времени пункта по локальным радиосигналам

С. С. Смирнов^{1, 3}, С. Д. Петров¹ Д. А. Трофимов¹, И. В. Чекунов²

¹СПбГУ, г. Санкт-Петербург, Россия

Определение координат пунктов или транспортных средств на суше, воде и в воздушном пространстве является одной из основных практических задач астрономии. В настоящее время данные задачи, особенно для транспорта, решаются, как правило, с помощью ГНСС. Можно говорить о практически безальтернативном господстве ГНСС при решении этих задач в повседневной деятельности. Сложившееся положение представляется опасным, так как работоспособность ГНСС может быть нарушена в результате применения средств радиоэлектронной борьбы (РЭБ) как путем подавления сигнала, так и путём его подмены ложным сигналом (спуфинг). Данная проблема известна давно, постоянно идёт развитие технологий, алгоритмов обработки, которые повышают устойчивость ГНСС к применению РЭБ, однако из-за низкой мощности навигационных спутниковых сигналов в силу ограничений энерговооруженности навигационных космических аппаратов (НКА) ГНСС полностью полагаться на данные технологии и алгоритмы нельзя, вероятность полного подавления сигнала ГНСС остается значимой. Кроме того, возможна ситуация выхода ГНСС из строя по причине кибератаки или непреднамеренного сбоя. Необходимы резервные способы определения координат, способные заменить ГНСС в случае их недоступности.

До появления ГНСС основными методами определения координат для транспортных средств были методы практической астрономии, наземные радионавигационные системы и инерциальные навигационные системы. Методы практической астрономии можно считать неуязвимыми для РЭБ, точными и оперативными, особенно при условии применения современной элементной базы и автоматизированной обработки наблюдений, однако сильно метеозависимыми. Инерциальные навигационные системы достаточно быстро теряют точность определения координат для подвижного объекта, необходима постоянная коррекция данных систем на основе координатно-временной информации, полученной иными методами. Наземные радионавигационные системы, как правило, создавались достаточно давно, они не обеспечивают глобального охвата, и точности не сопоставимы с ГНСС. Отсюда видно, что есть потребность во всепогодном оперативном методе определения координат, который является резервным по отношению к ГНСС.

Таким методом может стать локальная радионавигационная система нового типа. Подобные работы ведутся за пределами нашей страны. В качестве прототипа подобных систем можно рассматривать систему DORIS, построенную на наземных радиомаяках. Приемная аппаратура DORIS устанавливается на научных космических аппаратах и используется для построения их точных орбит. Более близким примером того, что может быть использовано для задач практической навигации, является навигационная система STOIC, разрабатываемая в США для нужд вооруженных сил. Данная система основана на наземных радиомаяках, может быть оперативно развернута на какой-либо местности для навигации в её окрестности. Предусмотрены специальные режимы работы для обеспечения устойчивости к РЭБ.

В работе предложена локальная радионавигационная система, имеющая следующие особенности: дальномерный принцип работы (передача навигационного сигнала с дальномерным кодом); основной элемент системы — компактный автономный радиомаяк, оснащенный хранителем времени и частоты, с необходимой стабильностью; частотные характеристики навигационного сигнала могут меняться по специальному алгоритму для обеспечения устойчивости к РЭБ. Данная система построена по очень похожим на ГНСС-принципам, что позволяет использовать отработанные алгоритмы и технологии. В то же время применение наземных радиомаяков даст возможность практически неограниченно повышать мощность радиосигнала, что вместе со сменой частоты позволит минимизировать влияние РЭБ.

На основе программно-определяемого радио создан макет локальной радионавигационной системы, который в настоящее время состоит из четырех радиомаяков и приемника навигационного сигнала. Принципы постройки системы взяты из системы GPS, однако кодирование сигналов производится по образцу ГЛОНАСС. Были проведены практические испытания, показавшие принципиальную работоспособность системы, достигнуты точностные характеристики на уровне нескольких дециметров. Испытания показали чувствительность системы к переотражениям, особенно в ближней зоне. Для повышения точности необходимо применить алгоритмы фильтрации сигналов, применяемые в современных навигационных приёмниках, что в перспективе позволит достичь сантиметрового уровня точности координатных определений.