РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
2017, том 4, выпуск 3, c. 40–45
КОСМИЧЕСКИЕ НАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И ПРИБОРЫ.
РАДИОЛОКАЦИЯ И РАДИОНАВИГАЦИЯ
УДК 621.396.7
Экспериментальная оценка точности определения координат
медленно подвижных радиобуев в среднеорбитальном
сегменте КОСПАС–САРСАТ
Д. В.Антонов
АО «Российские космические системы»
e-mail: antonov_dv@spacecorp.ru
Аннотация. В настоящее время в рамках программы КОСПАС–САРСАТ осуществляется экспериментальная фаза «Демонстрации
и оценки», предназначенная для определения основных эксплуатационных характеристик разворачиваемой среднеорбитальной
спутниковой системы поиска и спасания.
В статье приведены экспериментальные результаты определения координат медленно подвижного аварийного радиобуя
(АРБ) с помощью станции приема и обработки информации среднеорбитального сегмента (СПОИ-СО) системы КОСПАС–
САРСАТ, оборудованной 4, 6 или 12 антеннами.
Приведенные результаты подтверждают сделанные ранее теоретические выкладки и результаты численного моделирования,
согласно которым СПОИ-СО, оборудованная 4 антеннами, не может определятькоординаты медленно подвижных АРБ
с требуемой точностью 5 км в 95% случаев, в то время как измерений от 6 спутников-ретрансляторов (у СПОИ-СО должно
бытьне менее 6 антенн) достаточно для выполнения требований по точности независимого определения координат медленно
подвижных АРБ.
Ключевые слова: КОСПАС–САРСАТ, СССПС, СПОИ-СО, «Демонстрация и оценка», навигационная задача, экспериментальная
оценка, подвижные АРБ
Experimental Evaluation of the Slow Moving Beacon Location
Accuracy in the Middle Earth Orbit Segment
of the COSPAS–SARSAT System
D.V. Antonov
Joint Stock Company “Russian Space Systems”
e-mail: antonov_dv@spacecorp.ru
Abstract. The COSPAS–SARSAT “Demonstration and Evaluation” phase is being performed. Its purpose is to determine the maintenance
characteristics of the Middle Earth Orbit Search and Rescue System (MEOSAR) being developed at present.
This article shows the experimental results of a slow moving EPIRB obtained at the Middle Earth Orbit Location User Terminal
(MEOLUT) equipped with 4, 6, and 12 antennas.
These results match the theoretical conclusions and mathematical simulations made earlier: the MEOLUT with four antennas
cannot locate slow moving beacons with the specified quality (5 km in 95 %). Meanwhile, the measurements from six satellites
(MEOLUT should have at least six antennas) are sufficient to meet the accuracy requirements for slow moving beacons.
Keywords: COSPAS–SARSAT, MEOSAR, MEOLUT, Demonstration and Evaluation, locating, experimental results, moving
EPIRBs
Стр.1
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ
41
Введение
Как было показано в [1], при использовании
измерений частоты для независимого от ГНСС
определения координат на станции приема и обработки
информации в среднеобитальном сегменте
КОСПАС–САРСАТ, в отличие от низкоорбитального
сегмента, наличие даже небольшой скорости
уАРБ может приводитькбольшим и непредсказуемым
ошибкам, если эта скоростьне учитывается.
Как правило, АРБ имеет собственную скорость,
находясьна водной поверхности под действием течений
и ветра, при этом его скоростьне превышает
5 м/c. В дальнейшем под подвижными будут подразумеваться
АРБ, которые перемещаются со скоростью
не более чем 5 м/с (18 км/ч).
Так как именно морские АРБ составляют большую
частьпарка всех радиобуев [2] и, кроме
того, в перспективе ожидается внедрение нового
типа авиационных буев, активируемых в полете
(ELT-DT), проблема подвижных АРБ приобретает
огромное значение для среднеорбитальной спутниковой
системы поиска и спасания (СССПС).
В [1] показывается, что независимое определение
координат подвижных АРБ по измерениям
частот принятых сигналов (FOA —frequency
of arrival) возможно при наличии измерений не менее
чем от 6 спутников-ретрансляторов, принятых
от одной и той же посылки АРБ. При решении
навигационной задачи по измерениям времен прихода
сигналов (TOA — time of arrival) требуются
измерения от одной и той же посылки АРБ,
принятой не менее чем через 3 спутника-ретранслятора.
При
достижимых точностях измерений TOA
На данныймоментврамкахмеждународспособности
ных
испытаний «Демонстрация и оценка» СССПС
экспериментальная проверка
СПОИ-СО определятькоординаты АРБ с требуемой
точностью была проведена только для
неподвижных АРБ, находящихся на суше. Данная
статья приводит результаты эксперимента по
определению координат подвижного АРБ, который
должен показатьэкспериментальное подтверждение
или опровержение результатов теоретических
исследований.
Описание эксперимента
Морской АРБ (номер 2065E84560FFBFF) был
установлен на борту судна, перемещавшегося между
4 портами неподалеку от Бодо (Норвегия). АРБ
был активирован с 3 по 6 мая 2016 г. Трасса этого
АРБ, построенная по данным АИС, представлена
на рис. 1. Измерения TOA/FOA были получены
несколькими станциями СПОИ-СО, включая московскую
СПОИ-СО и СПОИ-СО Европейского Союза
(ЕС).
После завершения отправки посылок АРБ
EC предоставил измерения СПОИ-СО вместе с высокоточными
данными АИС о положении судна для
проведения анализа возможности определятькоординаты
подвижных АРБ с требуемой точностью.
На рис. 2, взятом из [2], представлены резуль(с.к.о.
= 25 мкс) и FOA (с. к. о. = 0,08–0,20 Гц) на
СПОИ-СО точностьопределения координат по измерениям
ТОА оказывается значительно ниже, чем
при использовании измерений FOA [1]. Как показало
математическое моделирование, результаты которого
приведены в [3], СПОИ-СО, оборудованная
4 антеннами, не способна определятькоординаты
подвижных АРБ по измерениям ТОА стребуемой
точностью 5 км в 95% случаев ни в какой зоне,
в то время как СПОИ-СО, оснащенная 6 антеннами,
способна определятькоординаты как неподвижных,
так и подвижных АРБ.
таты по точности независимых решений в зависимости
от собственной скорости АРБ, полученных
на СПОИ-СО ЕС, а также с помощью низкоорбитального
сегмента КОСПАС–САРСАТ. Зеленой
линией на рисунке обозначена требуемая точность
5 км, число над точками означает количество решений
с заданной скоростью. При определении координат
АРБ считалось, что он неподвижен. Как
видно, с увеличением скорости АРБ ошибка определения
координат быстро растет, достигая величины
десятков и сотен километров, при этом на
точностьрешений, полученных с помощью низкоорбитального
сегмента, собственная скорость АРБ
влияет значительно меньше.
Чтобы оценитьвозможность СПОИ-СО с различным
количеством антенн определятькоординаты
подвижных АРБ, на основе измерений, полученных
на 4-антенной СПОИ-СО в г. Москве
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 4 вып. 3 2017
Стр.2
42
Д. В.АНТОНОВ
Рис. 1. Трасса АРБ, установленного на судне
Рис. 2. Результаты определения координат подвижного АРБ с помощью СПОИ-СО ЕС (синие точки), а также
с помощью низкоорбитального сегмента КОСПАС–САРСАТ (красные точки)
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 4 вып. 3 2017
Стр.3
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ
43
Рис. 3. График вероятности получения решения с ошибкой, не более заданной. Зелеными линиями показаны
требуемые точностьи вероятность независимого решения
и 12-антенной СПОИ-СО ЕС, были воспроизведены
следующие сценарии.
• Сценарий 1. СПОИ-СО состоял из 4 антенн,
для определения координат были использованы
только измерения ТОА.Вкачестве входных
данных были взяты данные московской
СПОИ-СО. В статистику попали только решения,
полученные по измерениям от 4 космических
аппаратов.
• Сценарий 2. Рассматриваласьработа виртуальной
СПОИ-СО, состоящей из 6 антенн.
В качестве входных данных были взяты измерения
московской СПОИ-СО (4 антенны)
и данные СПОИ-СО ЕС (2 антенны). Координаты
АРБ определялисьпо измерениям
TOA/FOA. В статистику попали только решения,
полученные по измерениям от 6 КА.
• Сценарий 3. Рассматриваласьработа виртуальной
СПОИ-СО, состоящей из 12 антенн.
В качестве входных данных использовались
данные ТОА/FOA от 4 антенн московской
СПОИ-СО и 8 антенн СПОИ-СО ЕС. В результате
по одной излученной посылке АРБ
было принято 6–11 измерений.
Точности измерений были приняты следующими:
σTOA = 25 мкс, σFOA = 0,08 Гц (Москва),
0,20 Гц (EC).
При решении навигационной задачи по данным
ТОА был рассмотрен весьпериод излучения
посылок (с 2016.05.03. 11:00 по 2016.05.06.
12:50 UTC). При решении по измерениям
TOA/FOA был использован более короткий интервал
(с 2016.05.06 03:00 по 2016.05.06 06:00
UTC). Выбор таких интервалов связан с наличием
большого количества аномальных измерений FOA
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 4 вып. 3 2017
Стр.4
44
Д. В.АНТОНОВ
Рис. 4. Решения, полученные в разных сценариях, на карте. Голубые маркеры — сценарий 1 (4 антенны), красные
маркеры — сценарий 2 (6 антенн), желтые маркеры — сценарий 3 (12 антенн). Маленькие синие маркеры — трасса
судна на анализируемый период времени
Та б лиц а. Статистика определения координат медленно подвижного АРБ
Решения по посылкам, полученным за 10 мин
№
сценария
1
2
3
Количество
антенн
4
Использованные
данные
Москва
(4)
6 Москва (4)+EC (2)(TOA+FOA)
12 Москва (4)+EC (8)(TOA+FOA)
Количество
КА
в решении
4
6
6–11
в
данных EC, на выбранном трехчасовом интервале
аномальных значений не было.
Координаты АРБ определялисьпо измерениям,
полученным за 10-минутный интервал, при этом решения
были отнесены к середине 10-минутного интервала
(это было сделано для того, чтобы минимизироватьошибку
из-за изменения положения АРБ).
Средний
Количество
решений
360
16
18
теоретический
показатель
точности
(95%),
км
11,33
3,37
1,28
Разброс
показателя
точности
(95%)
5,80–28,96
2,47–6,85
0,90–2,12
Получившаяся
ошибка
в95%
случаев
10,13
3,00
1,78
Результаты
эксперимента
Результаты определения координат подвижного
АРБ в зависимости от сценария приведены
на рис. 3–4ивтаблице.
Как и ожидалось, ошибка определения координат
подвижного АРБ по измерениям ТОА
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 4 вып. 3 2017
Стр.5
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ
45
4-антенной СПОИ-СО оказаласьхуже требуемых
5 км и составила около 10 км.
6- и 12-антенные СПОИ-СО выполнили требования
по точности независимого определения координат.
12-антенная СПОИ-СО при этом показала
значительный запас по точности (примерно
в 3 раза). Следует отметить, если бы точность измерения
FOA всех измерений была бы 0,08 Гц (как
на московской СПОИ-СО), то точностьопределения
координат оказаласьбы еще лучше.
Выводы
По результатам проведенного эксперимента
впервые была показана возможностьСПОИ-СО
определятькоординаты медленно подвижных АРБ
с требуемой точностью, при этом было достаточно
измерений ТОА/FOA от 6 спутников-ретрансляторов.
Точностьопределения координат, полученная
на 4-антенной СПОИ-СО, оказаласьхуже требуемой
примерно в 2 раза.
Проведенный эксперимент по определению координат
медленно подвижного АРБ показал соответствие
со сделанными ранее теоретическими выкладками
и математическими моделированиями.
Список литературы
1. Антонов Д. В, Архангельский В. А., Белоглазова
Н.Ю. Точностьопределения координат аварийных
радиобуев по измерениям частот и времен прихода
сигналов этих буев на космические аппараты
среднеорбитального сегмента системы КОСПАС–
САРСАТ // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт,
2016, т. 10, №1. С. 62–67.
2. Origin: C/S Secretariat. Results of the Survey
of 406-MHz Beacon Production in 2015, and the
Secretariat’s Population Forecast to Year 2025.
Интернет источник http://cospas-sarsat.int/images/
cospas_sarsat/pdf_uploads/153/CSC-57-OPN0407.pdf,
дата обращения 04.04.2017.
3. Антонов Д. В. Оценка зоны обслуживания станции
приема и обработки информации среднеорбитального
сегмента КОСПАС–САРСАТ // Ракетно-космическое
приборостроение и информационные системы,
2017, т. 4, вып. 3. С. 24–34.
4. Origin: Norway/Spain. Slow-moving beacon location
accuracy. LEOSAR-MEOSAR comparison //
Интернет источник http://cospas-sarsat.int/images/
cospas_sarsat/pdf_uploads/151/JC-30-Inf-29.pdf, дата
обращения 04.04.2017.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 4 вып. 3 2017
Стр.6