Оценка возможностей
космической навигационной системы ГЛОНАСС
в условиях реальной деградации
ее орбитальной группировки

Гапионок А. В.,
старший научный сотрудник 1 ЦНИИ МО РФ

Калинов М.И.,
к. т. н., доцент, докторант ВМА им. Н.Г. Кузнецова

Шинков В.Д.,
заслуженный деятель науки и техники РФ, д. т. н.,
профессор, действительный член Академии инженерных наук РФ, профессор ВМА им. Н.Г. Кузнецова

Предложен метод оценки возможностей космической навигационной системы ГЛОНАСС с помощью разработанного в ВМА им. Н.Г. Кузнецова имитационно-моделирующего комплекса информационных космических систем.

Кораблестроительная программа России предполагает в ближайшие годы строительство кораблей различных классов и назначения и, в первую очередь, многоцелевых кораблей: эсминцев, фрегатов, сторожевых, на воздушной подушке. При этом значительное их количество предполагается строить по заказу стран Южной, Юго-Восточной Азии и Средиземноморья. Эти страны находятся в южных широтах, их оборонительные и экономические интересы требуют военно-морского присутствия в районах Восточно-Китайского и Южно-Китайского морей, Индийского океана, Средиземного моря, то есть в морских и океанских районах, ограниченных широтами от 40° северной широты и практически до экватора.

Поставляемые на экспорт корабли оснащены новейшим оружием, а установка на них современных навигационных комплексов позволяет решать сложные задачи в любом районе Мирового океана. Однако эффективность применения кораблей в значительной мере зависит от качества решения навигационных задач. В настоящее время для полноценной эксплуатации кораблей их навигационные комплексы должны соответствовать определенным требованиям в зависимости от района и режима плавания и характера решаемых ими задач. Некоторые из этих требований указаны в табл. 1 [1, 2].

Таблица 1

Требования к точности и надежности определения координат кораблей

Космическая навигационная система (КНС) ГЛОНАСС в штатном составе орбитальной группировки космических аппаратов обеспечивает глобальное непрерывное определение места корабля с точностью (СКО) не более 20 м в режиме автономных определений и 1-3 м в дифференциальном режиме, а также составляющих вектора скорости корабля 0,1 м/с (0,2 узла) [1, 3]. Именно поэтому ключевым элементом навигационных комплексов практически всех кораблей является приемоиндикатор этой КНС типа "Бриз-К" (СН-3101).

Эти точности соответствуют всем требованиям безопасности мореплавания кораблей при решении практически всех задач. Следует иметь в виду, что при наличии в зоне радиовидимости избыточного количества спутников ГЛОНАСС точность определения местоположения корабля увеличивается почти в два раза.

К середине 1995 г. [2] была сформирована полная орбитальная группировка [2] системы из 24 активно функционирующих космических аппаратов (КА). Однако вследствие различных причин орбитальная группировка космических аппаратов системы претерпела существенную деградацию (рис. 1). Количество КА в системе непрерывно сокращалось и к 2001 г. стало угрожающим с точки зрения эффективности ее применения [4]. При этом следует иметь в виду, что после 1996 г. количество КА, используемых по прямому функциональному назначению, меньше общего количества КА в орбитальной группировке. На начало марта 2001 г. в системе ГЛОНАСС используются лишь восемь КА (№1 - к 2364, №7 - к 2362, №8 - к 2363, №10 - к 2317, №13 - к 2325, №17 - к 2375, №18 - к 2374, №24 - к 2376).

Рис. 1. Изменение количества КА в орбитальной
группировке КНС ГЛОНАСС

Большой интерес, с точки зрения морских потребителей информации (ПИ), представляет оценка возможностей использования КНС ГЛОНАСС при существующем составе орбитальной группировки (под возможностями системы подразумевается количественная мера ожидаемых результатов ее применения в некоторых средних типичных условиях). Для решения этой задачи использовался имитационно-моделирующий комплекс (ИМК) информационных космических систем, разработанный в ВМА им. Н.Г. Кузнецова, с помощью которого можно решать задачи, связанные с моделированием процесса функционирования космических систем различного назначения и оценкой эффективности их применения.

В процессе решения задачи основное внимание уделялось расчету вероятностных и временных показателей функционирования системы. При этом информативными сеансами приема информации (ИСПИ) считались такие сеансы, когда в круге связи ПИ находилось не менее четырех КА. В качестве основных оцениваемых показателей были выбраны следующие:

• вероятность непрерывного обслуживания Р_об (доступность);
• средняя продолжительность ИСПИ;
• средняя продолжительность интервалов между ИСПИ;
• максимальный интервал между ИСПИ.

Интервал оценки - период замыкания трасс полета КА (7 суток 23 часа 27 минут 28 секунд). Широтный диапазон возможного нахождения ПИ 0°-70°.

Вероятность непрерывного обслуживания Р_об определялась как отношение суммарной продолжительности ИСПИ к значению интервала оценки.

Важной особенностью разработанного имитационно-моделирующего комплекса является возможность компьютерной визуализации текущего состояния космической системы на любом этапе моделирования процесса ее функционирования. При этом на экране ПЭВМ отображается и по желанию оператора систематически (по необходимости) обновляется следующая тексто-графическая информация:

• интервал оценки (прогноза);
• номер витка КА;
• текущее системное время;
• количество КА в системе;
• масштаб;
• цифровая морская карта;
• местоположение ПИ;
• круг связи ПИ;
• текущее местоположение (подспутниковая точка) каждого КА;
• трассы полета КА;
• параметры текущего сеанса приема информации (условный номер КА, время начала и продолжительность сеанса, расстояние "ПИ - подспутниковая точка КА");
• текущее количество КА в круге связи ПИ;
• временная шкала интервала оценки.

Для оценки возможностей использования КНС ГЛОНАСС были выбраны контрольные точки местоположений ПИ, координаты которых представлены в табл. 2.

Таблица 2

Географические координаты и районы контрольных точек
местоположений потребителей информации

Таблица 3

Основные результаты оценки возможностей использования КНС ГЛОНАСС

Анализ результатов оценки возможностей использования КНС ГЛОНАСС, представленных в табл. 3, показал следующее:

• вероятность непрерывного обслуживания ПИ, находящихся в контрольных точках 1-5 (диапазон широт от 0° до 40°), имеет крайне низкие значения: 0,10-0,23, что не позволяет использовать систему ГЛОНАСС в качестве основы для решения задач навигационного обеспечения;
• средняя продолжительность каждого ИСПИ для указанного диапазона широт также невысока и составляет всего 1,4-2,9 часа при среднем количестве ИСПИ 2-2,5 в сутки, что явно недостаточно для удовлетворения требований, предъявляемых морскими ПИ к системе;
• средняя продолжительность интервалов между ИСПИ - 9,4-13,1 часа, что значительно (в 5-7 раз) превышает дискретность обсерваций даже по низкоорбитным КНС;
• максимальный интервал между информативными сеансами приема информации для районов Индийского океана, Южно- и Восточно-Китайских морей, а также Средиземноморья находится в пределах 20-22 часов, что, безусловно, неприемлемо, поскольку потребность в определении местоположения ПИ может возникнуть в любой момент времени.

Таким образом, можно констатировать, что из-за деградации орбитальной группировки, когда на орбите активно функционирует лишь треть ее полного состава, система ГЛОНАСС находится в критическом состоянии и необходимо принятие срочных мер для устранения сложившейся ситуации.

Очевидно, что основной мерой для вывода системы ГЛОНАСС из критического состояния является восполнение ее орбитальной группировки. Проведенные с помощью ИМК расчеты показали, что вывод на орбиту даже одного блока КА (условные номера 14, 15, 16) позволяет существенно (на 15-20%) повысить значение основного показателя возможностей системы - вероятности непрерывного обслуживания. При этом в 1,5-2 раза снижается средняя продолжительность интервала между ИСПИ и в 1,5-2 раза увеличивается средняя продолжительность ИСПИ. Максимальный интервал между ИСПИ снижается с 20-22 часов до 10-16 часов. Дальнейшее наращивание орбитальной группировки до уровня 75% ее штатного состава (18 КА) позволит, как показали результаты моделирования (рис. 2), обеспечить непрерывное обслуживание потребителей информации в течение 19-20 ч в сутки (Р_об = 0,82 – 0,83), однако, и в этом случае для районов, находящихся в широтном диапазоне 0°-40,0° с. ш., сохранятся перерывы в навигационном обеспечении по данным системы ГЛОНАСС.

Рис. 2. Зависимость вероятности непрерывного обслуживания
от широты потребителя информации при различном составе
орбитальной группировки КА.

При этом максимальные интервалы между ИСПИ составят от 3 до 5 часов. Такие интервалы будут повторяться в среднем через 1,5-2 суток. И только полный состав орбитальной группировки (24 КА) может обеспечить выполнение требований к точности и надежности определения координат кораблей (см. табл. 1).

Таким образом, полученные результаты по оценке возможностей КНС ГЛОНАСС подтверждают критическое состояние системы, что свидетельствует о практически невозможном использовании ее корабельных приемо-индикаторов как средства коррекции местоположения надводных кораблей, поставляемых на экспорт. Критическое состояние системы ГЛОНАСС может привести к отказу потенциальных заказчиков от импорта российской техники, включая корабли и навигационные комплексы, что может вызвать значительный экономический и политический эффект. И только своевременные энергичные меры, направленные на наращивание состава орбитальной группировки КНС ГЛОНАСС могут вовремя исправить сложившееся положение.

Литература

1. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС. Под ред. Харисова В.Н., Перова А.И., Болдина В.А. - М.: ИПРЖ, 1998.

2. Современное состояние и тенденции развития зарубежных средств и систем навигации подвижных объектов военного и гражданского назначения. СПб.: ГУНиО МО РФ, 1994.

3. Многоканальный приемник сигналов спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС/GPS серии "Бриз". Рекламный проспект КБ "Навис", 1997.

4. GPS World, 2000, 8, р. 44-45.