Особенности применения спутниковых навигационных

УДК 621.396.932
Особенности применения спутниковых навигационных
технологий при развитии национальной арктической
транспортной системы и в освоении природных
месторождений на шельфе Арктики
К.т.н., с.н.с. Баринов Сергей Прокопьевич
Ефремов Павел Эдуардович
К.т.н. Шебшаевич Борис Валентинович
ОАО «Российский институт радионавигации и времени» (ОАО «РИРВ»)
191124, Санкт-Петербург, пл. Растрелли, д. 2
тел.577-1064, факс 577-1041, E-mail: office@rirt.ru
В работе рассматриваются пути и технические решения, обеспечивающие
выполнение требований Резолюции А.915(22) IМО при развитии национальной
арктической транспортной системы и в ходе освоения природных месторождений
на шельфе Арктики.
This work considers ways and technical solutions providing for realization of
requirements containing in IMO Resolution A.915 (22) when developing the National
Arctic Transportation System and in the course of opening up the natural deposits at the
Arctic shelf.
Освоение пространств и ресурсов Мирового океана становится одним из главных направлений
развития мировой цивилизации в третьем тысячелетии. Особое место в этом процессе занимает
Арктика. Россия, как исторически сложившаяся морская держава, благодаря своим
пространственным и геофизическим особенностям, а также огромному вкладу в изучение
Северного Ледовитого океана, сформировала и начала последовательно осуществлять
государственную политику в Арктике, призванную стать одним из основных факторов перехода к
устойчивому экономическому развитию страны, укрепления ее национальной безопасности и
международного авторитета [1].
Северный морской путь, как уникальный транспортный коридор, способен по кратчайшему
расстоянию обеспечивать евроазиатский транзит морских грузоперевозок. В недрах арктического
шельфа России разведаны крупнейшие запасы минерально-сырьевых ресурсов, география которых
простирается вплоть до 80-той параллели. Их освоение потребует развития национальной
арктической транспортной системы не только вдоль побережья России, но и существенного
расширения в северных направлениях.
Таким образом, арктическая зона становится важнейшим объектом морской промышленноэкономической деятельности. Эта деятельность должна осуществляться с проведением
необходимого комплекса конкретных мер по обеспечению ее безопасности, в том числе,
навигационной безопасности. Перспективные, на период после 2010 года требования к точности и
показателям надежности получения навигационной информации содержит Резолюция А.915(22)
IМО [2]. В соответствии с ней выполняемые в ходе промышленного освоения Арктики операции
(задачи), такие как исследования и разработка месторождений, ледокольная проводка, прокладка
трубопроводов, требуют обеспечения точности определения координат места не хуже 1 метра (2σ)
и целостности 10 сек. при пороге нарушения 2,5 м.
В настоящее время спутниковые навигационные технологии активно используются при
навигационном обеспечении работ по освоению нефтегазовых месторождений на арктическом
шельфе. Данные технологии позволяют реализовать высокие точности определения места
потребителей и целостность глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) за счет
применения функциональных дополнений ГНСС - широкозонных и региональных
дифференциальных подсистем, транслирующих корректирующую информацию через
геостационарные спутники связи, а также локальных дифференциальных станций, использующих
наземные передающие средства. Однако по мере дальнейшего освоения месторождений Арктики
и продвижения промыслов в более высокие широты Северного Ледовитого океана эффективность
использования ГНСС снижается в силу специфики построения этих систем и их функциональных
дополнений. В частности, зона уверенного радиоприема сигналов с геостационарных спутников
ограничивается широтой 76 град., а для локальных дифференциальных станций ограничения
связаны с пространственной деградацией корректирующих поправок. В этих условиях
практический интерес для задач навигационного обеспечения Северного морского пути и работ по
освоению природных месторождений в приполярных районах представляют планы развития
региональной
дифференциальной
подсистемы
ГНСС
на
базе
импульсно-фазовой
радионавигационной системы (ИФРНС) «Чайка».
Выбор сигналов ИФРНС «Чайка» в качестве канала передачи дифференциальных коррекций
ГНСС не случаен. В России эта система имеет достаточно развитую структуру - в ее состав входит
14 стационарных наземных станций, из них 5 находится за Полярным кругом. Рабочие зоны
системы охватывают значительную часть регионов России и сопредельных с ней территорий.
Дополнительными достоинствами ИФРНС являются большая дальность действия, высокая
помехоустойчивость сигнала и сравнительно небольшие расходы на эксплуатацию. Создана и в
2006 г. успешно прошла государственные испытания региональная дифференциальная подсистема
ГНСС на базе трех станций Европейской цепи ИФРНС «Чайка», расположенных в районе городов
Карачев, Сызрань и Петрозаводск. Разработана и выдержала межведомственные испытания
морская интегрированная навигационная аппаратура потребителей (НАП), обеспечивающая прием
и совместную обработку сигналов систем ГЛОНАСС, GPS, «Чайка», LORAN-C, а также
дифференциальной коррекции в стандартах SBAS, EUROFIX и RTCM.
Вместе с тем следует признать, что технические характеристики вышеуказанного
оборудования ориентированы на текущие требования IМО [3], что ставит под сомнение его
перспективность. Поэтому в скорректированной Федеральной целевой программе «Глобальная
навигационная система» на период до 2011 года предусмотрено выполнение мероприятий по
развитию сегмента формирования навигационных полей и интегрированной аппаратуры
потребителей различного назначения. В частности, ОАО «РИРВ» поручена опытноконструкторская работа по созданию региональной дифференциальных подсистемы ГНСС на базе
станций Северной цепи ИФРНС, цель которой - охватить сигналами дифференциальной
коррекции ГНСС большую часть акватории российского сектора Арктики. При этом
предполагается существенно модернизировать оборудование, принципиально изменив подход к
формированию дифференциальных поправок.
Известно, что основная причина пространственной деградации поправок ГНСС – ионосферная
погрешность. В связи с вводом в системах ГЛОНАСС, GPS и в будущей GALILEO второго
гражданского сигнала у НАП появится возможность самостоятельно устранять влияние
ионосферных задержек, а значит, и компенсировать подавляющую часть погрешностей,
вызываемых средой распространения сигнала. Следовательно, за дифференциальными
подсистемами следует сохранить только коррекцию погрешностей космического сегмента ГНСС
(так называемые погрешности эфемеридно-временного обеспечения - ЭВО), а также обеспечение
целостности ГНСС. Это положение ложится в основу проводимой ОАО «РИРВ» модернизации
дифференциальных подсистем и должно быть закреплено в новых редакциях стандартов
EUROFIX и RTCM-104.
Известно, что эфемеридно-временные поправки имеют очень слабую пространственновременную деградацию. Это дает основание полагать, что зона обслуживания каждой из станций
ИФРНС может достигать 1,5 тыс. км, а возможность многократного повторения корректирующей
информации будет способствовать существенному повышению ее достоверности. При этом
остаточная погрешность положения места потребителя за счет ЭВО составит не более 10%
суммарной погрешности космического сегмента ГНСС[4, 5], которая, в свою очередь, к 2012 году
будет снижена до 2,8 м [6]. Таким образом, есть все основания считать, что модернизируемая
региональная дифференциальная подсистема обеспечит выполнение требований Резолюции
А.915(22) IМО в высоких широтах (см. рисунок, где станции условно обозначены «звездочкой»).
Рисунок. Прогнозируемая зона дифференциальных коррекций ГНСС,
при формировании поправок станциями Северной цепи ИФРНС России
Необходимо помнить, однако, что ГНСС ГЛОНАСС, GPS и GALILEO, являясь близкими по
построению радиотехническими системами, достаточно уязвимы в условиях воздействия
радиопомех L-диапазона. В данных обстоятельствах ИФРНС может выступать как резервная
система, парирующая указанные риски. Этим, в частности, продиктовано решение Правительства
США в феврале 2008 года о глубокой модернизации радионавигационной системы LORAN-C,
преобразовании ее в eLORAN (улучшенный LORAN) и включении, как резерва системы GPS, в
«Национальную систему коммуникаций». Предполагаемая модернизация существенно расширит
функциональные возможности системы LORAN, в частности, повысит точность определения
координат места до 8 - 20 метров [7, 8, 9].
В Российской Федерации в рамках государственных программ также предусматриваются
мероприятия по модернизации и дальнейшему развитию ИФРНС «Чайка» на период до 2020 года.
Они включают:
- независимую от ГНСС привязку моментов излучения каждой станции ИФРНС к шкале
времени UTC и реализацию квазидальномерного режима навигационных определений;
- наращивание существующих и развертывания новых цепей станций;
- мониторинг условий распространения сигналов в рабочих зонах систем и создание
цифровых баз данных в виде карт поправок;
- передачу в формате сигнала ИФРНС дифференциальных поправок к радионавигационным
параметрам (РНП) каждой из наземной станции, формируемых системой мониторинга
радионавигационного поля ИФРНС;
- повышение точностных характеристик интегрированной НАП ГНСС/ИФРНС путем
использования в ней корректирующих поправок к РНП, хранящихся как в базе данных НАП, так и
передаваемых в формате радионавигационного сигнала.
Проведенные специалистами ОАО «РИРВ» эксперименты подтвердили действенность
указанных технических решений по кардинальному повышению точности ИФРНС «Чайка» до
уровня, соизмеримого с точностью ГНСС.
Таким образом, краткий анализ негативных факторов, характерных для использования
спутниковых технологий в Арктике и предлагаемые технические решения по их преодолению
дают основание сделать следующие выводы:
1. Существующий уровень развития ГНСС и их функциональных дополнений не позволяет
обеспечить в широтах выше 76 град. перспективные требования к навигационной информации,
определяемые Резолюцией А.915(22) IМО.
2. На базе станций Северной цепи ИФРНС «Чайка» создается региональная
дифференциальная подсистема ГНСС, способная решать задачи высокоточного навигационного
обеспечения национальной арктической транспортной системы и работ по освоению природных
месторождений на российском шельфе.
3. Выполнение мероприятий по полномасштабной модернизации ИФРНС «Чайка» позволит
решить проблему поддержки и резервирования ГНСС в случае внезапных перерывов в их работе.
Литература
1. Основы государственной политики Российской Федерации в Арктике на период до 2020 года и
дальнейшую перспективу. Утверждены Президентом Российской Федерации 18.09.2008 г.
Пр – 1969.
2. International Maritime Organization: “Revised Maritime Policy and Requirements for a Future Global
Navigation Satellite System (GNSS)”, IMO Resolution A. 915(22). 2001.
3. International Maritime Organization: “World-Wide Radionavigation System”, IMO Resolution
A.953(23). 2003.
4. Baser J., Parkinson B.W. The application of Navstar Differential GPS in the Civil Community//
Navigation (USA). - 1982, v.29, N 2.
5. Шишман Ю.Д., Остаточные эфемеридные погрешности в спутниковой РНС при
дифференциальных определениях с задержкой в передаче поправок// Радионавигация и время.
СПб.:РИРВ. № 1, 2, 1993, стр. 66-75.
6. Пасынков В.В., Данилюк А.Ю., Забокрицкий А.В. Эфемеридно-временное обеспечение ГНС
ГЛОНАСС// Фундаментальное и прикладное координатно-временное и навигационное
обеспечение (КВНО-2009).СПб.: Труды ИПА РАН. 2009.
7.US Department of Homeland Security. Statement from DHS. Press secretary Laura Keehhner on the
adoption of National backup system to GPS. February 7, 2008.
8. International Loran Association. Enhanced Loran (eLORAN). Definition Document (For ConsultationComments to ILA by 1 April).// Report Version: 0.1. Report Version Date: 12 January 2007.
9. President’s 2009 Budget Proposal Directs DHS to Implement eLORAN.
http://www.insidegness.com/node/551