Военная академия связи им. Маршала Советского Союза С.М. Буденного (кафедра радиосвязи, профессор)
Saint-Petersburg, Россия
Военная академия связи им. Маршала Советского Союза С.М. Буденного (старший научный сотрудник)
Россия
Россия
В работе показана эффективность навигационного обеспечения группировки подвижных объектов в условиях действия в зоне с повышенной опасностью и деструктивными воздействиями на радионавигационное поле средств позиционирования. Вскрыты проблемы функционирования навигационной аппаратуры пользователя и предложены пути их решения. Результаты исследований могут быть применены при организации спасательных работ с использованием систем навигационного обеспечения, а также производителями навигационной аппаратуры определения местоположения подвижных объектов в сложных условиях ее эксплуатации.
навигационное обеспечение, навигационная аппаратура, проблемы позиционирования, навигационная ошибка, система навигационного обеспечения
В настоящее время бурно внедряются инновационные технологии в деятельность человека, что способствует повышению эффективности результатов его работы [1–4]. Особенно важно применение новых технологий в спасательных работах, связанных с безопасностью человеческих жизней в условиях стихийных и техногенных бедствий [5]. Большое влияние на оперативность проведения спасательных работ оказывают навигационные и телекоммуникационные технологии [6, 7].
Прежде всего это обусловлено необходимостью определения координат пострадавших, подвижных объектов и своевременной их передачей должностным лицам на пункт управления. Важную роль в эффективности спасательной операции играет точность определения местоположения пострадавших и прокладка к ним кротчайшего пути следования. Кроме того, эффективность многократно увеличивается при действиях спасателей на незнакомой местности и в сложных физико-географических условиях местности.
Навигационное обеспечение в России реализуется на основе глобальной спутниковой радионавигационной системы (СРНС) ГЛОНАСС, в которой для позиционирования используются низкоэнергетические общедоступные радионавигационные линии [8–10]. Поэтому в условиях напряженной сигнально-помеховой обстановки и сложных физико-географических условиях местности нередко происходит технический сбой функционирования СРНС, о чем неоднократно указывалось в средствах массовой информации [11, 12]. Кроме того, навигационная аппаратура нередко являлась объектом атак злоумышленников международного и кибертерроризма, которые характерны для современной геополитической обстановки в мире [13].
Следовательно, для предотвращения или хотя бы снижения деструктивных последствий негативных воздействий на СРНС необходимо выявить основные факторы, влияющие на работоспособность навигационной аппаратуры, и определить меры по их нейтрализации. Исследованию этого вопроса и посвящена данная статья.
Проблемы навигационного обеспечения подвижных объектов
В настоящее время навигационное обеспечение является неотъемлемой частью системы управления подвижными объектами. При этом значительное повышение эффективность управления происходит при проведении спасательных операций за счет создания интегрированной системы навигации и связи или системы навигационного обеспечения (СНО) подвижных объектов управления. Особенно заметно наблюдается сокращение временных показателей цикла управления в сложных условиях обстановки при действиях на незнакомой местности [14–16]. Количественная оценка успеха проведения спасательных операций в первую очередь будет определяться степенью доступности всех пользователей к ресурсам глобальных СРНС, достоверностью получаемой информации и точностью позиционирования подвижных объектов.
Из вышесказанного следует отметить, что применение СНО в различной деятельности человека становится реальностью настоящего дня, что также подтверждается в работах [15, 17]. Использование навигационной информации в спасательных операциях, где визуальное позиционирование объектов затруднено или невозможно приобретает первостепенное значение. С другой стороны, радионавигационные линии, линии передачи навигационной информации крайне уязвимы к деструктивным воздействиям (ДСВ) радиоэлектронного характера, физических особенностей местности и детального картографического ее обеспечения [18]. Поэтому далее рассмотрим характер и степень их влияния.
Влияние помех на функционирование навигационного приёмника оценивается помехозащищенностью [19]. Помехозащищенность аппаратуры спутниковой навигации (АСН) характеризует ее способность выполнять своё предназначение в условиях воздействия сторонних помех, сосредоточенных по спектру сигналов.
Основным показателем помехозащищенности является коэффициент помехозащиты, который согласно работе [5] можно представить как:
В соответствии с формулой (1), коэффициент помехозащиты – это наибольшее отношение мощности помехи Pп в полосе рабочих частот приемника к мощности полезного сигнала Pc, при котором обеспечивается требуемое качество навигации.
Критерием нарушения работы АСН является уровень снижения точности определения местоположения в три раза, то есть *=3.
Согласно работам [15, 16] к АСН предъявляются следующие оперативно технические требования в части помехозащищенности: 25 дБ для узкополосного диапазона частот (L1) и 35 дБ для широкополосного диапазона (L2) от различного вида помех.
В сложной электромагнитной обстановке и физико-географических условиях местности как радиосигнал, так и помехи носят случайный характер, глубина замираний которых описывается логнормальным законом распределения [20]. Так как случайные величины Рс и Рп в логарифмическом масштабе распределены нормально, то и их разность Kпз = Рп – Рс также распределена нормально.
Тогда помехозащищенность АСН можно оценить через вероятность того, что текущий коэффициент помехозащиты (Kпз = Рп – Рс, в дБ) не превысит требуемый в условиях воздействия помех в одном канале приема [15, 20, 21]:
где Рп – уровень мощности помехи на входе приемника АСН; Рс – уровень мощности полезного сигнала на входе приемника АСН; пс – суммарное среднеквадратическое отклонение сигнала и помехи на входе приёмника АСН; u = (Рп – Рс – K*пз)/пс – параметр интегрирования.
Если помеха и сигнал не коррелированы, то пс = (2п + 2с)-2. При детерминированном сигнале пс=п [15].
Рассмотрим воздействие помех в диапазоне всех принимаемых частот (каналов) АСН. Так как АСН определяет координаты при приеме минимум четырех радионавигационных сигналов, то помехозащищенность многоканального приемника можно оценить на основе модели Бернулли [22]:
где m – количество навигационных космических аппаратов (НКА), радиосигналы которых использует АСН; n – количество видимых навигационных космических аппаратов (НКА) в заданной зоне; – биномиальный коэффициент; pнф = 1 – pрп – вероятность нормального функционирования одного канала в условиях воздействия одной помехи.
Зависимость помехозащищенности АСН в режиме многоканального приема радионавигационных сигналов от вероятности нормального функционирования одного канала и количества видимых и используемых (неподавленных) каналов приемника АСН приведена на рис. 1, а в режиме 2D на рис. 2.
Анализ полученных результатов показывает, что с увеличением количества помех на входе приемника и количества неработоспособных каналов нормальное функционирование АСН ухудшается, однако с увеличением количества видимых НКА и с переходом АСН в режим 2D или комбинированное использование НКА ГЛОНАСС и GPS возможности СНО улучшаются.
Ухудшение нормального функционирования АСН связано со снижением точности определения местоположения подвижных объектов, которая может оказаться недостаточной для позиционирования спасателей и транспортных средств. Например, в городских условиях, где сигнал может быть затруднен высокими зданиями или густой растительностью, ГЛОНАСС может не обеспечить достаточной точности для точного определения местоположения. Для количественной оценки точности позиционирования в условиях снижения уровня радионавигационного сигнала или повышения уровня мощности помехи на входе приемника используем формулу [15]:
где F1 – тактовая частота псевдослучайной последовательности дальномерного кода в диапазоне L1 (Гц); с – скорость света (м/с); Pс – мощность навигационного радиосигнала на входе приёмника; Nш – спектральная мощность помехи на входе приёмника; k – коэффициент ухудшения энергетического потенциала в приёмнике (k ~ 1,5); Тн – интервал усреднения (накопления) измерений (с).
Рис. 1. Помехозащищенность навигационного приемника АСН в режиме 3D
(n=8, m=8…4)
Рис. 2. Помехозащищенность навигационного приемника АСН в режиме 2D
(m=3, n=3…8)
Зависимость точности определения местоположения АСН от отношения мощности навигационного радиосигнала к спектральной мощности помехи на входе приёмника приведена на рис. 3. Ухудшение точности позиционирования происходит при увеличении мощности помехи на входе приемника. Однако точность можно улучшить при увеличении времени накопления радионавигационного сигнала Тн и при переходе в режим 2D.
Второй из возможных проблем навигации в системе МЧС России может быть неточность или устаревание картографических данных, которые используются для прокладки маршрутов и планирования операций спасательных служб. Старение карт происходит по прошествию некоторого промежутка времени, которое составляет 8…15 лет в зависимости от района картографирования. При этом погрешность растета может привести к ошибкам в навигации и потере времени при доставке помощи на место происшествия.
Цифровизация моделей местности и обработка данных создают начальную погрешность припасовки цифровых карт к реальной местности 0 , которая с течением времени увеличивается. Увеличение погрешности можно аппроксимировать экспоненциальным законом [23]:
где 0 – начальная погрешность цифровизации карт на цифровой модели местности; Т – масштабируемый коэффициент; t – текущее время после создания цифровой карты.
Результаты исследований погрешности цифровых карт приведены на рис. 4.
Рис. 3. Зависимость точности определения местоположения от уровня мощности помех на входе приемника АСН
Рис. 4. Динамика изменения погрешности цифровых карт
Анализ результатов расчета показывает, что с течением времени погрешность определения местоположения подвижных объектов на цифровой карте увеличивается. Так, если период обновления составляет 10 лет, то погрешность может увеличиться в 2,5 раза.
Таким образом, на качество функционирования АСН влияют две составляющие – воздействие помех, старение цифровых карт, которые снижают точность определения координат. Суммарная погрешность определяется среднегеометрическим значением [15]:
где rн, hн – суммарная погрешность определения местоположения плоских и вертикальных координат АСН; rцк, hцк – погрешность определения местоположения на цифровой карте плоских и вертикальных координат соответственно.
Следующей проблемой навигационного обеспечения подвижных объектов МЧС России может быть недостаточное обучение персонала МЧС России по использованию навигационного оборудования [9], что может привести к ошибкам в навигации и потере времени при доставке помощи на место происшествия. Необходимо обеспечить персонал МЧС России достаточным обучением и тренингом, чтобы они могли эффективно использовать навигационное оборудование в условиях экстренной ситуации.
Заключение
Необходимо отметить, что в работе определена важность навигационного обеспечения подвижных объектов для МЧС России при проведении спасательных операций. Наибольший эффект в оперативности проведения спасательных работ дает интеграция навигационных и инфотелекоммуникационных технологий, объединяющая их в систему навигационного обеспечения подвижных объектов управления. В результате проведенных в статье исследований вскрыты некоторые проблемы навигационного обеспечения, связанные с воздействием на элементы системы преднамеренных и непреднамеренных помех, старением картографических средств навигационной аппаратуры и недостаточной подготовкой пользователей аппаратуры спутниковой навигации. Для повышения эффективности применения АСН необходимо совершенствовать ее в этих направлениях, которые являются дальнейшими приоритетными вопросами исследования [24, 25].
1. Тхакохов А.А. Инновационные технологии и техника для ликвидации чрезвычайных ситуаций // Международный журнал гуманитарных и естественных наук. 2023. № 5-4 (80). С. 161-163.
2. Воронин Д.А., Кнутов М.С. Инновационная разработка в области противопожарной защиты // Современные пожаробезопасные материалы и технологии: сб. материалов V Междунар. науч.-практ. конф. Иваново, 2021. С. 227-233.
3. Апарин А.А., Закинчак А.И. Совершенствование процесса адаптации технических инноваций в системы обеспечения безопасности // Гражданская оборона на страже мира и безопасности: материалы IV Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. Всемирному дню гражданской обороны. 2020. С. 173-180.
4. Костерин И.В. Развитие инноваций в образовательных и научных организациях МЧС России // Инновации. 2020. № 6 (260). С. 94-98.
5. Грязнов С.Н., Пономарев А.И. Разработка и обоснование приоритетов в сфере инновационной политики МЧС России на период до 2020 года // Стратегия гражданской защиты: проблемы и исследования. 2012. Т. 2. № 1 (2). С. 93-94.
6. Терёхин С.Н., Корольков А.П., Печёнов С.Н. Применение современной навигационной системы при подготовке сотрудников ГПС в Санкт-Петербургском университете ГПС МЧС России // Подготовка кадров в системе предупреждения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций: материалы VI Междунар. науч.-практ. конф. 2007. С. 100-104.
7. Филиппов А.Г. Методы и модели информационно-навигационного обеспечения аварийно-спасательных формирований МЧС России // Школа молодых ученых и специалистов МЧС России-2013. Актуальные проблемы обеспечения комплексной безопасности и пути их решения: сб. статей по материалам конф. 2013. С. 142-149.
8. Дробушко А.Г., Сафонова Н.Л. Использования технологий ГЛОНАСС в структуре МЧС России // Проблемы обеспечения безопасности при ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций. 2015. № 1-1 (4). С. 217-220.
9. Рыженко Н.Ю. Использование геоинформационных систем в структурах МЧС России // Современные технологии обеспечения гражданской обороны и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций. 2016. № 1-1 (7). С. 480-484.
10. Зайцева И.Н., Пшеничникова Ю.С. К вопросу об информационно-техническом обеспечении оперативных подразделений МЧС России // Фундаментальные проблемы системной безопасности: материалы III Школы-семинара молодых ученых: в 2-х ч. 2016. С. 53-58.
11. Крылов Д. Навигаторы не смогут противостоять искажению сигнала GPS у Кремля. URL: https://ria.ru/organization_Gazetaru (дата обращения: 12.07.2023).
12. The village. В Москве вновь произошел сбой в работе GPS. URL: https://www.the-village.ru/village/city/news-city/294774-sboi-gps (дата обращения: 12.07.2023).
13. Лукавский С. Некоторые аспекты кибертерроризма. URL: https://www.geopolitica.ru/article/nekotorye-aspekty-kiberterrorizma (дата обращения: 12.07.2023).
14. Ожерельев М., Байтулаев А., Ефименко Д.Б. Навигационное обеспечение системы диспетчерского управления транспортом // Молодой ученый. 2011. № 4. Т. 3. С. 97-100.
15. Снежко В.К., Якушенко С.А. Военные интегрированные системы навигации, связи и управления: учеб. пособие. ВАС. СПб., 2014. 356 с.
16. Навигационная система для наземного транспортного средства «БИНС-Тек» // ОАО «ТеКнол»-Электрон.дан. М., 2009.
17. Первая сетецентрическая война // Военное обозрение. 2013. 22 нояб. URL: https://topwar.ru/34855-pervaya-setecentricheskaya-voyna.html (дата обращения: 12.07.2023).
18. Дворников С.В., Духовницкий О.Г. Оценка помехозащищенности профессионального радионавигационного оборудования системы ГЛОНАСС // Информация и космос. 2015. № 4. С. 73-77. EDN VJFNCJ.
19. Работа линий радиосвязи с ППРЧ в условиях преднамеренных помех / М.А. Вознюк [и др.] // Информационные технологии. 2012. № 10. С. 64-67.
20. Симонов А.Н., Волков Р.В., Дворников С.В. Основы построения и функционирования угломерных систем координатометрии источников радиоизлучений: учеб. пособие / под ред. А.Н. Симонова. СПб.: ВАС, 2017. 248 с.
21. Дворников С.В. Методика оценки имитоустойчивости каналов управления роботизированных устройств // Радиопромышленность. 2016. № 2. С. 64-69.
22. Якушенко С.А., Малышев А.К., Мешков И.С. Непараметрический метод оценки помехозащищенности спутниковых радионавигационных приемников в условиях воздействия ретрансляционных помех // Успехи современной радиоэлектроники. 2016. № 11. С. 9-13.
23. Якушенко С.А., Сазонов М.А. Информационно-расчетные задачи навигационно-связных комплексов специального назначения // Успехи современной радиоэлектроники. 2015. № 1. С. 37-40.
24. Повышение помехоустойчивости сигналов КАМ-16 с трансформированными созвездиями / С.В. Дворников [и др.] // Вопросы радиоэлектроники. Сер.: Техника телевидения. 2014. № 2. С. 51-56.
25. Теоретические положения повышения помехоустойчивости сигнально-кодовых конструкций квадратурных сигналов / С.В. Дворников [и др.] // Информация и космос. 2015. № 3. С. 13-16.
