СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИОНОСФЕРНОГО ШТОРМА С ПОМОЩЬЮ НАЗЕМНОЙ СТАЦИОНАРНОЙ ЛОКАЛЬНОЙ КОНТРОЛЬНО-КОРРЕКТИРУЮЩЕЙ СТАНЦИИ

Изобретение относится к областям радиотехники, вычислительной техники, связи и глобальных навигационных спутниковых систем и может быть использовано в гражданской авиации.

Известен «Способ определения недопустимой аномалии принимаемых сигналов навигационных спутников» (патент №2393504 по МПК G01S 19/07 от 23.10.2008 г.), характеризующийся тем, что наземная стационарная контрольно-корректирующая станция (ЛККС), имеющая заранее точно определенные координаты своей дислокации, принимает и обрабатывает радиосигналы группы радиовидимых навигационных спутников (НС) действующих глобальных навигационных спутниковых систем с помощью последовательно соединенных антенного модуля, блока спутниковых приемников (БСП) и вычислителя (ВЧ), при этом получают расчетные данные координат ЛККС для различных навигационных спутниковых систем, при их совпадении/несовпадении в допуске между собой и с контрольными координатами дислокации самой ЛККС вырабатывают решение об исправности/ неисправности конкретных НС соответствующих спутниковых навигационных систем, на основании чего блокируют в ВЧ использование некондиционных НС до их реабилитации, формируют и запоминают в ВЧ полученные при использовании кондиционных НС дифференциальные поправки (ДП) к кодам псевдодальности (ПД).

Недостатком известного способа является то, что он не выявляет влияние ионосферы, изменяющей свою электрическую проводимость в зависимости от времени суток, сезона и года в зависимости, главным образом, от солнечной активности. При этом изменяются условия прохождения радиосигналов НС (время их прохождения) и, в конечном счете, ошибочно измеряется ПД. Под действием солнечных лучей в ионосфере в результате ее ионизации образуются свободные электроны, сильно влияющие на проходящий через нее радиосигнал, увеличивая его искривленный путь и время. Причем искривление пути этого радиосигнала с учетом почти 20000 км толщи ионосферы от НС до приемников их радиосигналов (за исключением относительно тонкого 50 километрового слоя стратосферы и атмосферы Земли) в зависимости от ионизации может достигать в пересчете ПД десятков и даже сотен метров. В этих условиях совершающее посадку на автопилоте, оперирующем ошибочными кодами ПД, воздушное судно (ВС), не информированное об ионосферном шторме, может не попасть на посадочную полосу. Напротив, обладая этой информацией, пилот ВС при хорошей видимости может совершить ручную посадку, или пойти на второй круг, или уйти на другой аэродром.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является «Способ повышения целостности используемых сигналов навигационных спутников с помощью локальной контрольно-корректирующей станции (ЛККС) с учетом влияния аномальной ионосферы» (патент №2542326 по МПК G01S 19/07 от 04.10.2013 г.), характеризующийся тем, что наземная стационарная контрольно-корректирующая станция (ЛККС), имеющая заранее точно определенные координаты своей дислокации, принимает и обрабатывает радиосигналы группы радиовидимых навигационных спутников (НС) действующих глобальных навигационных спутниковых систем с помощью последовательно соединенных антенного модуля, блока спутниковых приемников (БСП) и вычислителя (ВЧ), при этом получают расчетные данные координат ЛККС для различных навигационных спутниковых систем, при их совпадении/несовпадении в допуске между собой и с контрольными координатами дислокации самой ЛККС вырабатывают решение об исправности/неисправности конкретных НС соответствующих спутниковых навигационных систем, на основании чего блокируют в ВЧ использование некондиционных НС до их реабилитации, формируют и запоминают в ВЧ полученные при использовании кондиционных НС дифференциальные поправки (ДП) к кодам псевдодальности (ПД).

Недостатком известного способа является необходимость установки и использования дополнительного к ЛККС выносного оборудования со своими антенным модулем и блоком спутниковых приемников, сопряженных дополнительным каналом связи с ЛККС, что существенно усложняет и делает дороже известный способ. Кроме того, в некоторых аэропортах установки выносного оборудования по техническим или организационным причинам вообще не может быть.

Между тем, ЛККС, успешно используемая в 110 крупнейших аэропортах РФ, для формирования и выдачи на борт ВС ДП при относительно простом усовершенствовании обладает возможностью самостоятельно определять ионосферный шторм без дополнительного выносного оборудования.

Техническим результатом и целью заявляемого изобретения является упрощение и расширение функциональных возможностей способа прототипа путем обеспечения определения ионосферного шторма в ЛККС без использования дополнительного выносного оборудования за счет анализа и выявления соответствующей ионосферному шторму динамики изменения дифференциальных поправок в заданных интервалах времени.

Указанные технический результат и цель достигаются тем, что способ определения ионосферного шторма с помощью наземной стационарной локальной контрольно-корректирующей станции (ЛККС), характеризующийся тем, что ЛККС, имеющая заранее точно определенные координаты своей дислокации, принимает и обрабатывает радиосигналы группы радиовидимых навигационных спутников (НС) действующих глобальных навигационных спутниковых систем с помощью последовательно соединенных антенного модуля, блока спутниковых приемников (БСП) и вычислителя (ВЧ), при этом получают расчетные данные координат дислокации ЛККС для различных комбинаций НС навигационных спутниковых систем, при их совпадении/не совпадении в допуске между собой и с известными контрольными данными координат самой ЛККС вырабатывают решение об исправности/неисправности конкретных НС конкретных глобальных спутниковых навигационных систем, на основании чего блокируют в ВЧ использование некондиционных НС до их реабилитации, формируют и запоминают в ВЧ полученные при использовании кондиционных НС дифференциальные поправки (ДП) к кодам псевдодальности (ПД) в единицах измерения длины, ДП периодически ЛККС выдает по УКВ-радиоканалу на воздушные суда (ВС), находящиеся в зоне действия ЛККС, а также тем, что для своевременного определения ионосферного шторма с помощью ЛККС, эксплуатируемой в зоне конкретного аэропорта, заблаговременно устанавливают для данной ЛККС два или более интервала времени для сглаживания ПД по несущей частоте и коду и анализа динамики изменения в этой связи ДП и соответствующий допустимый порог этого изменения, в процессе работы ЛККС в памяти ВЧ регистрируют рассчитанные ПД и ДП к ним по каждому радиовидимому кондиционному НС с привязкой ко времени радиоизлучения посылки НС и соответствующему времени ее приема в ЛККС, затем для всех ДП, полученных в соответствующем интервале сглаживания, определяют их среднее значение и сравнивают их расхождение с допустимым порогом, это осуществляют для каждого очередного интервала анализа, при превышении допустимого порога констатируют выявление ионосферного шторма в зоне соответствующего аэропорта и выдают потребителю по УКВ-радиоканалу для всех ВС, находящихся в этой зоне, соответствующий сигнал о потере целостности передаваемых ДП с привязкой к соответствующим НС и соответствующему времени, при этом ВС могут использовать ДП других НС, на которые не повлиял ионосферный шторм, аналогично ЛККС на всех очередных интервалах анализирует динамику изменения ДП и при сохраняющемся ионосферном шторме продолжает выдавать на ВС сигнал о нарушении целостности ДП, а при прекращении ионосферного шторма отменяет сигнал нарушения целостности ДП и реабилитирует соответствующие НС.

На чертеже представлен поясняющий эскиз, на котором показаны:

1 - группа навигационных спутников (НС) 1.1, 1.2, … 1.n;

2 - локальная контрольно-корректирующая станция (ЛККС) с

2.1 - антенным модулем,

2.2 - блоком спутниковых приемников (БСП),

2.3 - вычислителем (ВЧ) и передатчиком УКВ;

3 - воздушное судно (ВС);

4 - радиоканал УКВ для передачи ВС дифференциальных поправок (ДП);

5 - ионосфера.

Способ определения ионосферного шторма с помощью наземной стационарной контрольно-корректирующей станции (ЛККС) 2, характеризующийся тем, что ЛККС 2, имеющая заранее точно определенные координаты своей дислокации, принимает и обрабатывает радиосигналы группы 1 радиовидимых навигационных спутников (НС) 1.1, 1.2, … 1.n действующих глобальных навигационных спутниковых систем с помощью последовательно соединенных антенного модуля 2.1, блока спутниковых приемников (БСП) 2.2 и вычислителя (ВЧ) 2.3, при этом получают расчетные данные координат дислокации ЛККС 2 для различных комбинаций НС 1.1, … навигационных спутниковых систем, при их совпадении/несовпадении в допуске между собой и с известными контрольными данными координат самой ЛККС 2 вырабатывают решение об исправности/неисправности конкретных НС 1.1, … конкретных глобальных спутниковых навигационных систем, на основании чего блокируют в ВЧ 2.3 использование некондиционных НС 1.1, … до их реабилитации, формируют и запоминают в ВЧ 2.3 полученные при использовании кондиционных НС из группы 1 дифференциальные поправки (ДП) к кодам псевдодальности (ПД) в единицах измерения длины, ДП периодически ЛККС 2 выдает по УКВ-радиоканалу 4 на воздушные суда (ВС) 3, находящиеся в зоне действия ЛККС 2, а также тем, что для своевременного определения ионосферного шторма с помощью ЛККС, эксплуатируемой в зоне конкретного аэропорта, заблаговременно устанавливают для данной ЛККС 2 два или более интервала времени для сглаживания ПД по несущей частоте и коду и анализа динамики изменения в этой связи ДП и соответствующий допустимый порог этого изменения, в процессе работы ЛККС 2 в памяти ВЧ 2.3 регистрируют рассчитанные ПД и ДП к ним по каждому радиовидимому кондиционному НС из группы 1 с привязкой ко времени радиоизлучения посылки этих НС и соответствующему времени ее приема в ЛККС 2, затем для всех ДП, полученных в соответствующем интервале сглаживания, определяют их среднее значение и сравнивают их расхождение с допустимым порогом, это осуществляют для каждого очередного интервала анализа, при превышении допустимого порога констатируют выявление ионосферного шторма в зоне соответствующего аэропорта и выдают потребителю по УКВ-радиоканалу 4 для всех ВС 3, находящихся в этой зоне, соответствующий сигнал о потере целостности передаваемых ДП с привязкой к соответствующим НС из группы 1 и соответствующему времени, при этом ВС 3 могут использовать ДП других НС из группы 1, на которые не повлиял ионосферный шторм, аналогично ЛККС 2 на всех очередных интервалах анализирует динамику изменения ДП и при сохраняющемся ионосферном шторме продолжает выдавать на ВС 3 сигнал о нарушении целостности ДП, а при прекращении ионосферного шторма отменяет сигнал нарушения целостности ДП и реабилитирует соответствующие НС из группы 1.

Способ осуществляется следующим образом.

Стационарная наземная ЛККС 2, установленная в аэропорту (в настоящее время в 110 крупнейших аэропортах РФ), имеет выверенную точную координату своей дислокации с соответствующим геодезическим колышком. Для наибольшей точности в координату дислокации помещают антенный модуль 2.1. Зона действия конкретной ЛККС 2 (порядка 300 км вокруг соответствующего аэропорта обеспечивает канал 4 УКВ) определяется необходимостью своевременно обеспечить все ВС 3, находящиеся в этой зоне, значительно более точными данными о их текущих координатах местонахождения, для чего на эти ВС 3 выдаются ДП к псевдодальностям (ПД) по соответствующим НС 1.1, … 1.n. Каждое ВС 3 самостоятельно определяет ПД с значительно меньшей точностью чем ЛККС 2 с помощью своего спутникового приемника, а затем их уточняет с помощью получаемых ДП. Координата местоположения ВС 3 в данный момент времени далее автоматически рассчитывается как точка пересечения ПД от любых четырех кондиционных НС из группы 1.

ЛККС 2 одновременно принимает радиосигналы вех радиовидимых НС 1.1, … 1.n всех четырех действующих глобальных спутниковых навигационных систем: GPS (США), ГЛОНАС (РФ), ГАЛИЛЕО (Евросоюз) и КОМПАС (Китай). Для этого в БСП 2.2 имеются соответствующие приемники, причем для надежности с дублированием. Практически ЛККС 2 одновременно принимает радиосигналы примерно 80 НС различных систем (почти половина небесной радиовидимой полусферы). При этом каждый НС из группы 1 периодически излучает во все стороны свой, отличающийся от других НС из группы 1 радиосигнал (относительно короткая радиопосылка с закодированной информацией, например, у ГЛОНАС на своей несущей частоте для каждого НС, а у GPS на одной несущей частоте, но с разной фазой для каждого НС и т.д.). Соответствующий приемник БСП 2.2 селектирует свои радиопосылки и отождествляет их с конкретным НС из группы 1.

Важнейшим общим радионавигационным принципом для всех глобальных навигационных систем является способ определения псевдодальности (ПД) по каждому НС из группы 1 (расстояния отданного НС до конкретного приемника, получившего радиопосылку от этого НС), который состоит в следующем. В каждой радиопосылке каждого НС из группы 1 содержится очень точное время ее излучения (на НС используют атомные часы), а принявший радиопосылку приемник фиксирует в системе единого времени момент приема соответствующей радиопосылки. Тогда код ПД определяют (автоматически в приемнике) как произведение разности указанных выше моментов времени и скорости распространения радиосигнала - 300000 км/сек. Таким образом, определяют с привязкой к системе единого времени коды ПД каждым приемником по каждому НС из группы 1. Далее рассчитывают географическое место нахождения ЛККС 2 (точнее - антенного модуля 2.1 с приемником в БСП 2.2) на Земле как общую точку пересечения трех различных ПД (трех наклонных дальностей), полученных от трех любых НС из группы 1 в один и тот же момент времени.

Острая необходимость использования в аэропорту ЛККС 2 и при отсутствии шторма ионосферы 5 вызвана тем, что точность определения ВС 3 своего местоположения в пространстве (определяется также как описано выше, но по четырем ПД от различных НС) существенно ниже чем у ЛККС 2 в силу того, что бортовое навигационное оборудование на ВС 3 по весогабаритным ограничениям не может сравняться с избыточным подобным оборудованием в стационарной наземной ЛККС 2 (полный ассортимент высокоточных приемников с дублированием в БСП 2.2) с значительно более мощным и алгоритмически развитым ВЧ 2.3. Но главное, на борту движущегося ВС 3 принципиально отсутствует возможность оценки целостности и достоверности рассчитываемых ПД, которая имеется у наземной стационарной ЛККС 2 с ее неизменной выверенной (эталонной), координатой дислокации. Особенно важно на ВС 3 повысить точность определения ПД, а, следовательно, и координаты местоположения ВС 3 в пространстве непосредственно перед его посадкой. Поэтому в аэропорту устанавливают ЛККС 2, которая формирует и выдает по радиоканалу 4 УКВ на ВС 3 по каждому НС из группы 1 дифференциальные поправки - ДП к ПД, существенно уточняя их. Для этого ЛККС 2, имеющая заранее точно определенные координаты своей дислокации, принимает и обрабатывает радиосигналы от группы 1 радиовидимых НС 1.1, … 1.n действующих глобальных навигационных спутниковых систем с помощью последовательно соединенных антенного модуля 2.1, БСП 2.2 и ВЧ 2.3 с передатчиком УКВ, при этом получают расчетные данные координат дислокации ЛККС для различных комбинаций НС навигационных спутниковых систем, при их совпадении / не совпадении в допуске между собой и с известными контрольными (эталонными) данными координат самой ЛККС 2 вырабатывают решение об исправности/неисправности конкретных НС из группы 1 конкретных глобальных спутниковых навигационных систем, на основании чего блокируют в ВЧ 2.3 использование некондиционных НС из группы 1 до их реабилитации, формируют и запоминают в ВЧ 2.3 полученные при использовании кондиционных НС из группы 1 ДП к кодам ПД в единицах измерения длины, ДП периодически (два раза в секунду) ЛККС 2 выдает по УКВ-радиоканалу 4 на ВС 3, находящиеся в зоне действия ЛККС 2. При этом точность определения координат ВС 3 повышается примерно на порядок.

Для своевременного выявления шторма ионосферы 5 в ЛККС 2 анализируют динамику изменения ДП, для этого заблаговременно в ВЧ 2.3 устанавливают два или более интервала времени для сглаживания ПД по несущей частоте и коду и анализа динамики изменения в этой связи ДП и соответствующий допустимый порог этого изменения, в процессе работы ЛККС 2 в памяти ВЧ 2.3 регистрируют рассчитанные ПД и ДП к ним по каждому радиовидимому кондиционному НС из группы 1 с привязкой ко времени радиоизлучения посылки этих НС и соответствующему времени ее приема в ЛККС 2, затем для всех ДП, полученных в соответствующем интервале сглаживания, определяют их среднее значение и сравнивают их расхождение с допустимым порогом, это осуществляют для каждого очередного интервала анализа, при превышении допустимого порога констатируют выявление ионосферного шторма в зоне соответствующего аэропорта и выдают потребителю по УКВ-радиоканалу 4 для всех ВС 3, находящихся в этой зоне, соответствующий сигнал о потере целостности передаваемых ДП с привязкой к соответствующим НС из группы 1 и соответствующему времени, при этом ВС 3 могут использовать ДП других НС из группы 1, на которые не повлиял ионосферный шторм, аналогично ЛККС 2 на всех очередных интервалах анализирует динамику изменения ДП и при сохраняющемся ионосферном шторме продолжает выдавать на ВС 3 сигнал о нарушении целостности ДП, а при прекращении ионосферного шторма отменяет сигнал нарушения целостности ДП и реабилитирует соответствующие НС из группы 1.

Практически, например, используют два интервала сглаживания 100 сек и 30 сек, а допустимый порог - 10 м.

Оперативно информируя ВС 3 о начавшемся ионосферном шторме и о наличии при этом кондиционных НС для успешного продолжения автоматического пилотирования ВС 3, а при отсутствии кондиционных НС, обеспечивая возможность своевременного перехода на ручное пилотирование, рассмотренный способ в целом повышает безопасность полетов гражданской авиации.