Наряду с развитием дополнений к GNSS космического базирования типа SBAS, т.е. EGNOS, WAAS, MSAS и наземными дополнениями типа GBAS в Евро-пе и Австралии разрабатываются своеобразные и отличающиеся между собой до-полнения к GNSS, получившие общее наименование GRAS.
Термин GRAS по предложению Швеции и Австралии бал введен на совещании рабочей группы бюро ИКАО по GNSS в Веллингтоне в начале 1998 года. В наиболее общем виде назем-ное региональное дополнение (GRAS) определяется следующим образом. WRAS – это система, представляющая собой дополнение к GRAS, с которой пользователи получают информацию в большом регионе с наземных передатчиков, частоты ко-торых отличаются от частот глобальных спутниковых систем, обеспечивая непре-рывный прием информации и в случае отсутствия прямой видимости пользователя и одного из передатчиков. Допускается объединение компонентов GRAS в сети.
Отличительными особенностями системы GRAS являются следующие. Во – первых, в отличии от SBAS, система GRAS обеспечивает сквозное обслуживание, т.е. взлет, полет по маршруту и в зоне аэродрома, неточный заход на посадку, включая заходы на посадку с вертикальным наведением, руления. Во-вторых, сис-тема GRAS может быть реализована в национальных границах и находиться под полным контролем властей страны, в границах которой она расположена. Зона дей-ствия GRAS легко может быть расширена через национальные границы тем же способом, что и в случае традиционных наземных навигационных систем.
Выбор Австралии в пользу системы GRAS обусловлен рядом обстоятельств, а именно: плотность воздушного движения и погодные условия практически ис-ключают необходимость точных заходов на посадку и, следовательно, систем GBAS; желанием создать автономную, в национальных границах систему дополне-ния к GNSS. Следует отметить, что структура GRAS, разрабатываемая в Австра-лии, следовательно, отличается от структуры GRAS, разрабатываемой северными странами Европы. Главное отличие австралийской модели GRAS обусловлено большими размерами Австралии и поэтому используется информация, формируе-мая по методологии SBAS. Информация передается в станцию обработки и управ-ления, которая вырабатывает широкозонные дифференциальные поправки, кото-рые затем ретранслируются сетью ОВЧ передатчиков в форматах и в диапазоне частот GBAS. При этом информация, поступающая в ОВЧ передатчики посредст-вом связных спутников или наземных линий, при преобразовании в формат GBAS адаптируется к местоположению ОВЧ передатчика и его зоне обслуживания.
Предполагается точность определения местоположения при использовании сигналов GRAS равная 10 м. Нетрудно заметить, что австралийская модель GRAS не обеспечивает полностью сквозного обслуживания даже без учета отсутствия точных заходов на посадку.
Шведская модель GRAS основывается на использовании многочисленных контрольно – корректирующих станций, формирующих и передающих дифферен-циальные поправки.
Монология расположения контрольно – корректирующих станций с пере-крывающими зонами действия определяется требованиями обеспечения навигации при полетах по маршруту и в зоне аэродрома, неточных заходах на посадку, вклю-чая заходы с вертикальными наблюдениями, а также обеспечения возможности контроля движения на аэродроме (A-SMGCS). Нетрудно заметить, что шведская модель системы GRAS обеспечивает сквозное обслуживание. Более того, при над-лежащих характеристиках контрольно – корректирующей станции и ее расположе-ни в близи аэродрома могут быть обеспечены и точные заходы на посадку.
Отличительной чертой системы GRAS, разрабатываемой северными стра-нами Европы, является использование для передачи дифференциальных поправок и информации о целостности не VDL mode 3, а VDL mode 4, Стандарты и Рекомен-дованная практика, для которой разработаны ИКАО и EUROCAE [25,26]. VDL mode 4 использует DFSK модуляцию и скорость передачи данных 19.2 кбит/с. Эта цифровая линия радиосвязи использует каналы с широкой полосы частот 25м Гц, в диапазоне 108.000 – 136.975 м Гц. Совместное использование канала контрольно – корректирующими станциями основывается на STDMA (самоорганизующая систе-ма множественного доступа с временным разделением сигналов) схеме. STDMA основывается на использовании дискретных временных слотов вместе с набором протоколов резервирования, которые опосредствуют использование каждого вре-менного слота между контрольно – корректирующими станциями. Основные поня-тия – которые определяют VDL mode 4 это суперкадр и временные слоты. Супер-кадр делится 60 секунд и состоит из 4500 временных слотов. Старт суперкадра на-чинается со старта слота, используемого для передачи. Старт каждой последова-тельной группы из 75 временных слотов начинаются с начала UТС-секунды.
Требования к точности, переделам тревоги, целостности, непрерывности и др. зависят от фазы полета. В системе GRAS предусматривается несколько уровней обслуживания, каждый из которых предназначен для разных операций. Описание и назначение уровней обслуживания приведены в таблице:
Таблица
№ Описание Операции Объем данных Назначенные каналы
1 Информация о целостности Полет по маршруту Низкий GSC
2 Информация о целостности и дифференци-альные поправ-ки Полет по маршруту/ полет в зоне аэро-дрома Средний GSC, LSC, каналы, со-вместно используемые со службой уровня 3
3 Информация о целостности и дифференци-альные поправ-ки данные для конечного эта-па захода на посадку Заходы на посадку и приземления, вклю-чая заходы на по-садку с вертикаль-ным наведением (APV-I,II) контроль движения на по-верхности аэродро-ма (A-SMGCS) большой 1 или 2 канала. Воз-можно совместно ис-пользуемые со служ-бами уровня 2 и 4
4 Информация о целостности и дифференци-альные поправ-ки, руково-дство движени-ем на поверх-ности Будущие примене-
ния большой 1 или 2 канала. Воз-можно совместно ис-пользуемые со служ-бами уровня 2 и 4
Объем данных, передаваемых в случае первого уровня обслуживания не-большой. Поэтому для первого уровня обслуживания назначены глобальные сиг-нальные каналы GSC1 и GSC2. Глобальные в том смысле, что обслуживание пер-вого уровня всегда доступно на каналах GSC1 и GSC2 всякий раз, когда воздушное судно находится в зоне действия наземной станции GRAS.
В областях с малым трафиком второй уровень обслуживания GRAS может обеспечиваться на глобальных сигнальных каналах GSC1 и GSC2. В случае насы-щенного трафика могут потребоваться региональные или локальные сигнальные каналы или назначенный канал в пределах полосы частот, назначенных для навига-ции.
Из анализа таблицы вытекают следующие выводы. Первый уровень обслу-живания GRAS предназначен для некритичных операций в пространстве полетов по маршруту, где требования к точности местоположения, определения времени и скорости обеспечиваются с помощью автономных бортовых GNSS приемников. Однако требуется информация о целостности спутникового созвездия, которая обеспечивается наземной станцией GRAS. На первом уровне обслуживания ис-пользуется сообщение типа 1 GRAS. Это обуславливает и улучшение точности ме-сто определения, хотя по требованиям полета по маршруту это не обязательно. Второй уровень обслуживания предназначен для полетов в зоне аэродрома и в про-странстве полетов по маршруту с высокой плотностью трафика, где требования це-лостности, точности место определения более жесткие, особенно для автоматиче-ского зависимого наблюдения. Второй уровень обслуживания требует обязатель-ную передачу дифференциальных поправок. Период передачи дифференциальных поправок от 2 до 10 секунд. Третий уровень обслуживания предназначается для обеспечения неточных заходов на посадку, включая заходы на посадку с верти-кальным наведением типа IPV-I и IPV-II, а также для контроля движения на по-верхности аэродрома. На третьем уровне обслуживания требуется дифференциаль-ные поправки, информация о целостности и данные для конечного этапа захода на посадку (FAS data). Кроме того, должно обеспечиваться время до тревоги не от шести до десяти секунд. Четвертый уровень обслуживания зарезервирован для бу-дущих критических операций.
Каждый уровень обслуживания GRAS имеет свою зону действия. Зона дей-ствия первого уровня обслуживания включает пространство полетов на расстояни-ях до 200 морских миль. Следовательно, 200 морских миль – это предельное значе-ние для дальности воздушного судна до наземной станции GRAS, которое опреде-ляет минимальное количество наземных станций GRAS на обслуживаемой терри-тории для обеспечения сплошного покрытия. Зона действия второго уровня обслу-живания охватывает пространство маршрутов, где это необходимо (в случае боль-шой плотности маршрутов) и зону аэродрома на нижних высотах. Одна наземная станция GRAS может обслуживать зону аэродрома в случае ее небольших разме-ров, но в случае больших зон аэродрома может потребоваться несколько наземных станций GRAS. Зона действия третьего уровня обслуживания будет иметь намного меньший размер и центрироваться в районе аэродрома с особо жесткими требова-ниями в направлении взлетно-посадочных полос, для того чтобы поддерживать за-ходы на посадку и посадки. Зона действия четвертого уровня обслуживания вклю-чает в себя поверхность аэропорта и непосредственное окружение аэропорта. Рас-положение наземной станции GRAS в том случае должно быть оптимизировано для контроля поверхностного движения.
Форматы сообщений GRAS основываются на форматах GBAS определен-ных в проекте Стандартов и Рекомендованной практики ИКАО по GNSS, версия 8. Система GRAS используют три различных типа сообщений, каждый в формате идентичном сообщениям типа 1, типа 2 и типа 4 за исключением отсутствия скоро-сти изменения поправок к псевдодальности в сжатом сообщении типа 1. Все сооб-щения располагаются в пакете в соответствии с нижеприведенной таблицей.
Таблица
Передаваемый пакет Сообщение
GRAS Содержание Количество бит
Заголовок 64
Заголовок сообщения 48
Сообщение GRAS типа 1, или типа 2, или типа 4
Циклический избыточный код сообщения 32
Циклический избыточный код пакета 24
Сообщения типа 1 GRAS (стандартное и сжатое) состоит из фиксированной и переменной части. Фиксированная часть включает время правильности сообще-ния, количества измерительных блоков, т.е. количество навигационных спутников, для которых передается корректирующая информации, и тип дальномерного сиг-нала, например, L1. Переменная часть содержит N измерительных блоков, каждый из которых включает дифференциальные поправки и параметры целостности для одного спутника. Максимум 18 измерительных блоков может быть включено в со-общении, а по умолчанию в сообщении типа 1 включается 12 измерительных бло-ков. Кроме того, в сообщении типа1 GRAS находятся и дополнительная информа-ция в соответствии с пунктом в 3.6.4.2 проекта Стандартов и Рекомендованной практики ИКАО для GNSS, версия 8.
Стандартное сообщение типа 1 включает и скорость измерения дифферен-циальных поправок к псевдодальности, которые могут понадобиться в случае не-точного захода на посадку с вертикальным наведением типа IPV-II. Для полетов по маршруту, в зоне аэродрома и для неточных заходов на посадку до захода на по-садку типа IPV-I включительно, предполагается использовать сжатое сообщение типа 1 GRAS, в котором отсутствует информация о скорости изменения дифферен-циальных поправок к псевдодальностям.
Сообщение типа 2 GRAS содержит показатели точности и непрерывности целостности наземной станции GRAS. Это сообщение имеет фиксированный раз-мер и необходимо только в случае IPV-II операций. Детально его содержание опи-сано в разделе В 3.6.4.3 проекта Стандартов и Рекомендованной практики ИКАО для GNSS, версия 8. Сообщение типа 2 содержит 1.44 бита. С целью заголовка и других данных размер проекта составляет 3.17 бит. а пакет занимают два времен-ных слотах.
Сообщения типа 4 GRAS используется при заходе на посадку с вертикаль-ным наведением типа IPV-I/II. Сообщение содержит от одного до восемнадцати на-боров данных для конечного этапа захода на посадку. Каждый из наборов опреде-ляет единый вариант глиссады. Больше подробностей и сообщений типа 4 приве-дены в пункте В 3.6.4.5 проекта Стандартов и Рекомендованной практики ИКАО для GNSS, версия 8.
Значение время до тревоги, указанное для сигналов в пространстве. Являет-ся критерием для определения значения времени до тревоги для наземной станции GRAS. Если для точных заходов на посадку типа IPV-II значение времени до тре-воги равно шести секундам, то время до тревоги для наземной станции GRAS не должно превышать 3 сек., полагая, что время до тревоги в мобильной системе рав-но 3 секунды.
Извещение об отказе или деградации обслуживания GRAS осуществляется двумя способами, а именно: 1) известить потребителей об отказе системы; при «бо-лезни» спутника в соответствующем сообщении должна быть информация, что этот спутник нельзя использовать для определения местоположения; 2) прекратить подачу данных.
Шведская модель системы GRAS испытывалась в ряде широкомасштабных экспериментах и продолжает развиваться. Первоначально концепция GRAS экспе-риментально проверялась при выполнении проекта NEAN, спонсируемого Евро-пейской комиссией и закончившегося в 1998 году. Основная цель проекта заключа-лась в разработке и развертывании 25 наземных станций и бортового оборудова-ния для оценки перспектив использования VDL mode 4 в ряде приложений в облас-ти навигационных связей, навигации и наблюдений. Навигационные применения основывались на концепции GRAS. Сеть наземных станций располагалась на большой территории стран северной Европы. Эта сеть распространена на большую часть при выполнении проектов NAAN ( the Noith Atlantie
Существующая сеть наземных станций NEAN использует RTSM SC-204 форматы сообщений, так как при ее создании отсутствовали одобренные ИКАО стандарты для сообщений с дифференциальными поправками. В исполняемой в на-стоящее время программе NUP 9 NEAN Update programme) наземные станции GRAS будут использовать форматы сообщений GRAS, для передачи дифференци-альных поправок и информации о целостности потребителям. Накопленный опыт комбинирования контрольно-корректирующих станций DIAS-3100 SCAI I фирмы Raytheon c VDL mode 4 передатчиками учтен при разработке наземных станций GRAS в рамках программы NUP. На втором этапе программы NUP все 25 назем-ных станций GRAS будут модернизированы, чтобы обеспечит операции IPV-II и A-SMGCS. Текущее планирование топологии будущей системы аэронавигационного обеспечения в северной Европе предусматривает наличие в аэропортах наземных станций, обеспечивающих авиационные связи, автоматическое зависимое наблю-дение и навигацию на основе наземных станций GRAS.
Эти наземные станции получили наименование CNS-станций и их неотъем-лемой частью являются наземные станции GRAS.
В настоящее время (до конца 2001 г.) шесть CNS-станций изготавливаются Thales ATM для установки в Швеции, Дании, Германии, и Франции.
Программа NUP состоит из двух этапов. Первый этап концентрировался на определении применений, разработке спецификации и системы. Второй этап будет длиться до 2005 г. и должен окончиться аттестацией системы и предэксплуатаци-онным использованием. В настоящее время пока только Щвеция начала реализа-цию программы по созданию инфраструктуры. Инфраструктура состоит из 23 на-земных станций, которые будут установлены в каждом SCAA аэропорту, в период с 2001г. по 2004 г. Предполагается подключение Норвегии и Австралии. Широко-масштабные эксперименты по внедрению системы GRAS осуществляет Россий-ская Федерация, установив в Тюменском регионе 6 CNS-станций. Планируется расширение сети CNS-станций на основе наземных станций автоматического зави-симого наблюдения на основе VDL mode 4, на которое гражданская авиация России переходит с октября 2005 г.