Радионавигационные системы LORAN-C и «ЧАЙКА»

Радионавигационные системы LORAN-C и «ЧАЙКА» 
Радионавигационное обеспечение России на пороге XXI века: импульсно-фазовые радионавигационные системы LORAN-C и «ЧАЙКА» как необходимые компоненты глобального интегрированного радионавигационного поля

Настоящая публикация является очередной статьей из серии, посвященной проблемам современного состояния радионавигации в мире.  
Радионавигационные системы (РНС) предназначены для определения местоположения движущихся и неподвижных воздушных, морских, наземных и космических объектов различного назначения. Кроме основной задачи РНС могут обеспечивать потребителей информацией о точном времени, параметрах движения (скорость, путевой угол, пройденный путь, взаимное расположение движущихся объектов и т.д.), а также осуществлять контроль за их перемещением.  
В нашей стране разработан и эксплуатируется целый ряд РНС: спутниковая РНС «ГЛОНАСС», импульсно-фазовая РНС (ИФРНС) с наземным базированием «ЧАЙКА», многочастотная фазовая разностно-дальномерная система навигации для судовождения «МАРС-75», многочастотная разностно-дальномерная локационно-навигационная система «БРАС-З», разностно-дальномерная система ближней навигации РСБН, дальномерная фазовая радиогеодезическая система «КРАБИК-З», единая система посадки летательных аппаратов «ПЛАЦДАРМ», радиомаяки и другие РНС.  
 
В США несколько ранее были созданы аналогичные системы. В частности, основными радионавигационными системами США являются спутниковая РНС GPS (NAVSTAR), ИФРНС LORAN-C, азимутальная система ближней навигации VOR, дальномерная система ближней навигации DME, тактическая азимутально-дальномерная система TACAN, аэродромные системы посадки метрового (ILS) и микроволнового (MLS) диапазонов, радиомаяки.  
 
Принцип действия, тактико-технические характеристики, области применения основных зарубежных и отечественных РНС, а также основные направления их совершенствования были рассмотрены в опубликованной ранее статье (Бабокин Е.И. и др. «Радионавигационное обеспечение России на пороге XXI века». - «Технологическое оборудование и материалы», 1997, № 12).  
 
В предлагаемой публикации рассматриваются современное состояние и режимы использования ИФРНС LORAN-C и «ЧАЙКА», их потенциальные возможности в решении задачи улучшения качества навигационно-временного обеспечения потребителей и повышения целостности и доступности радионавигационных систем.  
 
 
Современное состояние ИФРНС LORAN-C и «ЧАЙКА»  
 
Разработка импульсно-фазовых, разностно-дальномерных радионавигационных систем с наземным базированием LORAN-C и «ЧАЙКА» была начата практически одновременно в конце 40-х и начале 50-х гг. по заказам военных ведомств США и СССР. Первоначально обе системы предназначались для навигационного обеспечения ударных сил авиации и военно-морского флота при решении ими боевых задач.  
 
Высокие тактико-технические характеристики этих систем (см. таблицу) предопределили, начиная с 70-х гг., их массовое применение гражданскими потребителями подавляющего большинства стран мира для решения хозяйственно-экономических задач.  
 
Основные тактико-технические характеристики ИФРНС "ЧАЙКА" и LORAN-C:  

 
 
Благодаря последовательной модернизации, направленной на повышение качественных характеристик и надежности излучаемого сигнала, на улучшение эксплуатационных показателей передающего оборудования, аппаратура передающих станций РНС LORAN-C и «ЧАЙКА» соответствует современному уровню развития радиоэлектроники, причем большинство станций РНС LORAN-C могут работать в полуавтоматическом режиме и на них требуется присутствие лишь дежурного оператора.  
 
В настоящее время ИФРНС LORAN-C продолжает обеспечивать навигацию гражданских и некоторых видов военных потребителей различных государств в море, воздухе и на суше. В мире в эксплуатации находятся 26 цепей РНС LORAN-С, каждая из которых содержит от 3 до 5 станций; некоторые станции работают дновременно в двух цепях.  
 
Рабочие зоны цепей РНС LORAN-C перекрывают территории США и Канады и почти все побережье Североамериканского континента, Северную Атлантику, Скандинавию и Западную Европу, Северное и Норвежское моря, атлантическое побережье Франции и Восточную Атлантику, Средиземное море, центральный и северо-западный районы Тихого океана, большую часть побережья КНР, весь Аравийский полуостров, районы Ближнего Востока, Красного моря, Персидского залива, залив Аден, часть побережья Индии. Общая площадь рабочих зон цепей РНС LORAN-C превышает 95 млн кв. км.  
 
В России в рабочей эксплуатации находятся четыре цепи системы «ЧАЙКА»:  
 
- Европейская, в составе пяти станций, три из которых расположены в районах городов Брянск (ведущая), Петрозаводск, Сызрань (Россия) и две - за пределами России - Слоним ( Республика Беларусь) и Симферополь (Украина);  
 
- Восточная, в составе четырех станций, расположенных в районах городов Александровск-Сахалинский (ведущая), Петропавловск-Камчатский, Уссурийск и Охотск;  
 
- на Севере России функционируют две цепи в составе пяти станций, расположенных в районах г. Дудинка (ведущая), пос. Таймылыр, о. Панкратьева, г.Инта (ведущая-ведомая) и п. Туманный, причем три станции одновременно работают в обеих цепях.  
 
Общая площадь рабочих зон всех цепей РНС «ЧАЙКА» составляет около 20 млн кв. км.  
 
Кроме того, в России имеются региональные цепи ИФРНС средней мощности.  
 
Завершены работы по созданию объединенной российско-американской цепи «ЧАЙКА»/LORAN-C в составе двух российских станций в районах городов Петропавловск-Камчатский и Александровск-Сахалинский и одной американской станции LORAN-C на о. Атту (США).  
 
PHC LORAN-C остается самой распространенной системой с наземным базированием: количество ее потребителей в мире в 1997 г. составляло около 1,3 млн, причем более половины находятся в США (морские - около 500 тыс., авиационные - около 130 тыс., наземные - около 30 тыс.)  
 
Рис. Зона покрытия систем «ЧАЙКА» и LORAN-C (кликните на картинке)  
 
 
Увеличить  
 
К сожалению, номенклатура и объем выпускаемой отечественной приемоиндикаторной аппаратуры PHC «ЧАЙКА» в настоящее время недостаточны для удовлетворения требований многочисленных потребителей. По уровню технических решений отечественная приемоиндикаторная аппаратура не уступает зарубежной, однако ее элементная база отстает от зарубежного уровня. В настоящее время ведутся разработки новых образцов отечественных приемоиндикаторов PHC «ЧАЙКА»/LORAN-C.  
 
Принцип действия и режимы использования сигналов ИФРНС LORAN-C и «ЧАЙКА»  
 
Передающие станции ИФРНС LORAN-C и «ЧАЙКА», излучающие группы (пачки) из восьми («ведомые» станции) или девяти («ведущие» станции) импульсов на несущей частоте 100 кГц, объединены в цепи - группы станций, излучающих синхронизированные импульсные сигналы с одинаковой частотой повторения.  
 
Каждая цепь состоит из одной «ведущей» и двух-четырех «ведомых» передающих станций.  
 
Интервалы повторения пачек импульсов используются для опознавания цепей и уменьшения взаимных помех между ними. Значения интервалов повторения пачек изменяются от 40 000 до 99 990 мкс с дискретом 10 мкс.  
 
Классическим режимом использования сигналов ИФРНС является стандартный разностно-дальномерный (гиперболический) режим.  
 
Этому режиму свойственны ограничения по точности и размерам рабочей зоны, обусловленные геометрическим фактором, зависящим от взаимного расположения передающих станций и потребителей. Поэтому в зависимости от задач и требований потребителей получили широкое распространение и другие режимы использования сигналов ИФРНС, а именно: режим работы с функционально равноценными станциями, дальномерный, дифференциальный режимы, режим одновременной работы со смежными цепями.  
 
Режим работы с функционально равноценными станциями реализуется в бортовой аппаратуре потребителей с помощью специальных алгоритмов и позволяет повысить точность местоопределения. В данном случае ведущая станция рассматривается в алгоритме обработки сигналов как обычная ведомая.  
 
При наличии на борту потребителя высокостабильного опорного генератора частоты можно обеспечить повышение точности и надежности местоопределений.  
 
При использовании метода одновременной работы со смежными цепями (объединенные цепи) возможны два варианта обработки информации. В первом варианте одну гиперболу получают с помощью пары станций одной цепи, а другую - с помощью пары станций другой цепи. Во втором варианте в бортовой аппаратуре используется алгоритм обработки, при котором одна гипербола получается путем измерения разности времен приема сигналов пары станций одной цепи, а другая создается «искусственно» с помощью пары станций двух смежных цепей. Режим работы со смежными цепями позволяет существенно повысить точность местоопределений и расширить рабочие зоны. Этот режим широко используется в США и Европе благодаря работе ряда станций одновременно в двух цепях (в двойном режиме).  
 
Значительного (в 4-5 раз) повышения точности ИФРНС можно достичь, используя дифференциальный метод, к сожалению, лишь в локальных районах рабочей зоны. Этот метод основан на использовании мониторинга сигналов РНС LORAN-C/«ЧАЙКА» в фиксированной точке рабочей зоны с известными географическими координатами, благодаря чему разность времен ( TD - time difference), определяемая приемоиндикатором контрольной станции, сравнивается с разностью времен, вычисляемой для этой точки. Результат сравнения этих данных дает поправку на распространение радиоволн, которая автоматически передается потребителям. Реализация дифференциального режима в системах LORAN-С/«ЧАЙКА» позволяет повысить точность местоопределения до 10-50 м в радиусе до 150-200 км от станции передачи поправок.  
 
ИФРНС ЛОРАН-С и «ЧАЙКА» как компоненты интегрированного радионавигационного поля  
 
Ни одна из существующих систем не является универсальным навигационным средством. Каждая из систем GPS/«ГЛОНАСС» или LORAN-С/«ЧАЙКА» обладает определенными преимуществами и недостатками, о которых, в частности, говорилось в опубликованной ранее статье. Отметим лишь, что по сравнению со спутниковыми РНС импульсно-фазовые значительно экономичнее: сравнение затрат на одного потребителя в год показывает, что для РНС GPS и LORAN-C они отличаются более чем на порядок, а именно: при количестве потребителей в 1 млн затраты на каждого составили: для GPS - около 250 долл. (данные 1991 г.), а для системы LORAN-C - лишь 17 долл. (данные 1995 г.). При этом известно, что за период (1991-1995 гг.) затраты на РНС GPS возросли вдвое. Отечественный и зарубежный опыт создания и эксплуатации РНС различного типа показал, что совершенствование каждой отдельной из систем связано со значительными затратами средств и в отдельных случаях имеет принципиальные ограничения. Для создания глобального радионавигационного поля, позволяющего с требуемой достоверностью и доступностью обеспечить любому потребителю необходимую радионавигационную информацию, рациональнее комплексно использовать возможности, представляемые различными навигационными системами. Использование РНС LORAN-C/«ЧАЙКА» в качестве компонентов глобального интегрированного радионавигационного поля будет способствовать как улучшению рабочих характеристик этих систем, так и повышению целостности и доступности систем GPS/«ГЛОНАСС».  
 
Одним из путей решения этой задачи является формирование рабочих зон на основе объединения радионавигационных полей отдельных цепей ИФРНС, так как основными причинами, ограничивающими использование потребителями систем «ЧАЙКА» и LORAN-C, являются автономность и ограниченность их рабочих зон, отсутствие единого непрерывного радионавигационного поля. Наличие районов, где отсутствуют рабочие зоны этих систем, снижает безопасность судовождения и полетов авиации, а также эффективность решения ряда других хозяйственно-экономических задач.  
 
Решение этой проблемы может быть осуществлено путем строительства новых (дополнительных) станций или объединения существующих станций в новые (объединенные) цепи. Первый путь требует значительных финансовых затрат и не всегда является рентабельным. Второй подход к решению проблемы формирования дополнительных рабочих зон путем объединения радионавигационных полей систем «ЧАЙКА» и LORAN-C представляет собой интеграцию систем с целью создания единого непрерывного радионавигационного поля и более перспективен.  
 
Совместное использование систем «ЧАЙКА» и LORAN-C открывает новые перспективы в направлении улучшения качества навигационно-временного обеспечения не только в Европе и на Дальнем Востоке, но и в других регионах мира, где работают или могут быть установлены новые цепи передающих станций «ЧАЙКА»/LORAN-C. Примерами таких объединенных цепей являются системы «ЧАЙКА»/LORAN-C на Дальнем Востоке, Северо-Западная европейская система LORAN-C (NELS) и другие цепи в Европе и США.  
 
За рубежом уже создана приемоиндикаторная технология, позволяющая реализовать возможности интегрированного радионавигационного поля многих объединенных цепей ИФРНС. В России также ведется разработка отечественного интегрированного приемоиндикатора, работающего по сигналам систем «ГЛОНАСС», «ЧАЙКА», GPS и LORAN-C.  
 
Такие приемоиндикаторы обрабатывают обычно от 20 до 40 сигналов одновременно, хотя для определения местоположения необходима и достаточна обработка сигналов минимум от трех передатчиков LORAN-C. Благодаря объединению цепей ИФРНС и внедрению современной приемоиндикаторной технологии возможно получение рабочей зоны, близкой к глобальной.  
 
Другим направлением совершенствования существующей инфраструктуры РНС LORAN-C/«ЧАЙКА» является возможность использования ее в качестве мощного системного усиления для спутниковых систем GPS, GNSS, «ГЛОНАСС».  
 
Несмотря на то, что многие потребители удовлетворены высокой точностью GPS, существует необходимость в повышении ее целостности и доступности, так как спутниковые системы сами по себе не могут обеспечить целостность и доступность, необходимые для сертификации их в качестве единственного средства навигации воздушных потребителей.  
 
Под целостностью (достоверностью) РНС понимается способность системы обеспечивать получение потребителями координатно-временной информации с заданным качеством. Одним из направлений повышения целостности является введение избыточного контроля (определения и устранения неисправностей или автономного мониторинга целостности в приемоиндикаторе - RAIM) и создание станций наземного и космического базирования для улучшения рабочей зоны (DGPS, WAAS, LAAS).  
 
Доступность системы есть вероятность того, что в любое время и в любой точке рабочей зоны навигационная система обеспечивает потребителя информацией, достаточной для определения местоположения с требуемой точностью. Традиционно доступность определяется как процент времени, в течение которого система надлежащим образом функционирует в заданном режиме. Днем GPS доступна обычно более чем на 90 %, но в ряде случаев этого недостаточно.  
 
На сегодняшний день с целью повышения достоверности и доступности GPS реализована интеграция GPS с барометрическим альтиметром и с инерциальными системами, что представляет собой только решение проблем, связанных с доступностью при полетах по маршруту, на океанских трассах и в отдаленных районах, где необходимо время порядка десятков минут.  
 
Однако для выполнения таких операций, как неточный подход к аэропорту, необходимо время порядка нескольких минут. При этом требуется надежное обеспечение очень высоких показателей целостности и доступности навигационной системы (уровень доступности должен быть не ниже 99,9998 %). Ни одна из систем в отдельности не обеспечивает таких высоких показателей.  
 
Совместное использование наземных ИФРНС и космических РНС позволяет создать интегрированную радионавигационную систему, превосходящую по своим техническим характеристикам каждую из входящих в нее систем. Так, создание интегрированного радионавигационного поля на основе системы GPS, дополненной системой LORAN-C, обеспечивает уровень доступности и достоверности сигнала, превышающий 99,9998 %. Сохранение в эксплуатации систем с наземным базированием LORAN-С/«ЧАЙКА» фактически позволит решить проблемы доступности и целостности спутниковых радионавигационных систем.  
 
Примером еще одного направления использования систем LORAN-C/ «ЧАЙКА» являются работы по созданию системы EUROFIX (Нидерланды), представляющей собой комплексную систему обслуживания, использующую сигнал РНС LORAN-C для передачи дифференциальных поправок и другой достоверной информации потребителям системы GPS или другой спутниковой системы на большие расстояния.  
 
Аналогичная концепция заложена в систему LAGPS (Loran Augmentated GPS), которая разрабатывается в США и представляет собой РНС GPS, дополненную системой LORAN-C.  
 
Передача дифференциальной информации по каналу РНС LORAN-C осуществляется непрерывно посредством модуляции 6 из 8 импульсов в пачке РНС LORAN-C. При этом значительно увеличиваются непрерывность и доступность поправок. Кроме того, имеет место процесс взаимного повышения качества навигационных определений, так как, когда дифференциальная система DGPS доступна, точное местоопределение используется для калибровки LORAN-C. Если DGPS недоступна, потребитель может продолжать местоопределение с помощью LORAN-C.  
 
При использовании существующей инфраструктуры РНС LORAN-C для передачи дифференциальных поправок системы GPS обеспечивается канал связи с высокой доступностью, надежностью и рабочей зоной, перекрывающей всю территорию США и Западной Европы. В России также ведется разработка системы передачи дифференциальных поправок РНС «ГЛОНАСС» по навигационному каналу РНС «ЧАЙКА».  
 
Заключение  
 
Высокие технические характеристики импульсно-фазовых РНС «ЧАЙКА» и LORAN-C и относительно небольшие эксплуатационные системные расходы предопределяют их эффективное применение в настоящем и будущем.  
 
Импульсно-фазовые РНС являются эффективным дополнением для спутниковых навигационных систем, гарантируя повышение доступности и целостности, при этом наиболее перспективным является сочетание спутниковых систем GPS/«ГЛОНАСС», что и учтено в Федеральной целевой программе по использованию спутниковой системы «ГЛОНАСС» в интересах гражданских потребителей.  
 
Развитие РНС «ЧАЙКА» и LORAN-C как компонентов глобального интегрированного радионавигационного поля осуществляется по следующим основным направлениям:  
 
- продолжение использования каждой из этих систем в качестве самостоятельного навигационного средства при одновременном создании расширенных рабочих зон за счет объединения цепей;  
 
- интегрирование РНС «ЧАЙКА» и LORAN-C при создании объединенных региональных и международных цепей;  
 
- интегрирование систем «ЧАЙКА» и LORAN-C со спутниковыми РНС ГЛОНАСС и GPS.  
 
Для реализации этих направлений необходимо:  
 
- согласовать системы координат и шкалы времени отечественных и зарубежных наземных и спутниковых РНС;  
 
- внедрить современные методы синхронизации передающих станций, включая синхронизацию по сигналам спутниковых РНС и метеорную синхро-низацию;  
 
- освоить цифровую обработку сигналов РНС LORAN-C и «ЧАЙКА» в приемниках;  
 
- использовать одновременную обработку сигналов от разных цепей, включая сигналы на пространственной волне;  
 
- создать и изготовить интегрированные приемоиндикаторы, работающие по сигналам ИФРНС и спутниковых РНС;  
 
- использовать передающие станции ИФРНС «ЧАЙКА» и LORAN-C для передачи дифференциальной информации спутниковых РНС (системы типа EUROFIX).