Комплексный подход к созданию интегрированных глобальных навигационных спутниковых систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Шилов, Анатолий Евгеньевич

• Шилов, Анатолий Евгеньевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шилов, Анатолий Евгеньевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ РАЗВИТИЯ ГЛОБАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ.

1.1. Современное состояние ГНСС и краткосрочные программы их развития.

1.2 Сравнительный анализ ГНСС.

1.3 Анализ эволюции требований потребителей к качеству навигационного обеспечения.

1.4 Выводы по главе 1.

2. ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ ПЕРСПЕКТИВНОЙ ИНТЕГРИРОВАННОЙ ГНСС.

2.1 Концепция определения путей развития ГНСС.

2.2 Принципы системной интеграции ГНСС.

2.3 Межсистемные принципы международной интеграции ГНСС.

2.4 Выводы по главе 2.

3. МЕТОДИКИ И МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ФОРМИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ПРОГРАММ.

3.1 Методика развертывания и поддержания орбитальных группировок ГНСС.

3.2 Методика ускоренной модернизации ГНСС.

3.3 Методика оценки выполнения космических программ.

3.4 Выводы по главе 3.

4. СТРАТЕГИЯ РАЗВИТИЯ КОСМИЧЕСКОЙ НАВИГАЦИОННОЙ ПРОГРАММЫ РОССИИ НА ДОЛГОСРОЧНЫЙ ПЕРИОД.

4.1 Организация ускоренного проведения летных испытаний ГНСС.

4.2 Определение стратегии развертывания и восполнения ОГ.

4.3 Выбор концепции развития долговременной космической программы России.

4.4 Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Комплексный подход к созданию интегрированных глобальных навигационных спутниковых систем»

Актуальность исследований. Космические информационные системы (навигация, связь, наблюдение .) являются важнейшим элементом инфраструктуры любого современного государства, обеспечивая его национальную безопасность и экономическую независимость.

На огромных просторах России зачастую отсутствует какая-либо альтернатива космическим информационным системам и состояние отечественных космических систем, их технический уровень в существенной степени определяют степень информатизации и уровень безопасности России.

Так как транспортные потоки в настоящее время приняли межгосударственный, трансконтинентальный характер, применение глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) становиться необходимым и достаточным условием безопасности транспортных перевозок.

В настоящее время глобальное навигационное поле в основном поддерживается с помощью двух космических навигационных систем GPS (США) и ГЛОНАСС (РФ), дифференциальных дополнений к GPS: WAAS (США), EGNOS. Проводятся испытания европейской системы Galileo.

Отмечается большая динамика роста потребителей навигационных услуг, расширение номенклатуры пользователей (наземные, морские, воздушные, космические, специальные), повышаются требования к точности и надежности навигационного обеспечения, что обуславливает необходимость модернизации существующих ГНСС.

Осознание роли координатно-временного обеспечения в процессе вовлечения высоких информационных технологий во все сферы человеческой деятельности, создало предпосылки к поиску путей системной интеграции ГНСС, а так же интеграции отечественной ГНСС в международную GNSS-2.

Поэтому разработка принципов и методов создания (модернизации) интегрированных глобальных навигационных спутниковых систем является актуальной научно-технической задачей, имеющей прикладное значение.

Целью диссертационной работы является разработка комплексного подхода к созданию интегрированных глобальных навигационных спутниковых систем, конкурентоспособных на рынке космических услуг.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• исследование и анализ тенденций развития ГНСС и эволюция требований потребителей;

• разработка комплексного подхода к созданию интегрированных ГНСС;

• разработка и обоснование показателей эффективности и затрат, а также критериев выбора параметров интегрированных ГНСС;

• разработка методик и математических моделей формирования космических программ создания интегрированных ГНСС и контроля их реализации.

Объект исследования: глобальные навигационные спутниковые системы.

Предмет исследования: процесс создания ГНСС.

Методы исследования: основаны на методах системотехники и исследования операций, методах теории случайных процессов.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1) Разработан комплексный подход к созданию интегрированных ГНСС, основанный на внутрисистемной интеграции составных элементов на базе иерархических и концептуальных принципов, а также межсистемной (международной) интеграции разнородных ГНСС на базе принципов взаимодополнения космических сегментов и использования интегрированной аппаратуры пользователей;

2) Разработана методика развертывания и поддержания орбитальных группировок, основанная на комплексировании детерминированной и вероятностной модели стратегий запуска КА по критерию минимум затрат на реализацию космической программы;

3) Разработана методика ускоренной модернизации ГНСС, основанная на организации комбинированных запусков КА, ускоренного проведения летных испытаний и упреждающей отработки перспективных космических технологий;

4) Разработана методика оценки выполнения космической программы с использованием показателей финансового мониторинга, показателей текущих прямых результатов реализации космической программы и обобщенных показателей.

Достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием предлагаемых методов и моделей, а также результатами разработки и испытаний навигационных спутниковых систем.

Практическая значимость работы заключается в обосновании принципов построения интегрированной ГНСС, оптимизации стратегии ее разработки, испытаний и развертывания штатной конфигурации, в создании корректных методов контроля реализации космической программы создания ГНСС.

Реализация результатов. Результаты, представленные в работе, использованы при корректировке Федеральной целевой программы "Глобальная навигационная система", положены в основу ТТЗ на разработку эскизного проекта перспективной (до 2020 г.) ГНСС (НИР "Концепция-КМ").

Апробация работы. Основные результаты исследований опубликованы в отчете по НИР, в четырех статьях, докладывались автором на международной конференции "Авиация и космонавтика" г. Москва (2006 г.), на конференции "Решетневские чтения" г. Красноярск (2006 г.), на военно-научной конференции г. Санкт-Петербург (2007 г.).

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Шилов, Анатолий Евгеньевич

4.4 Выводы по главе 4

1. Подтверждена эффективность ускоренного проведения летных испытаний КА мГлонасс-М" с использованием разработанной методики:

• применение комбинированных запусков (совместно КА "Гло-насс" и КА Тлонасс-М") дает экономию в один запуск РН "Со-юз-2" с одним КА "Глонасс" и повышает надежность программы пусков летных КА Тлонасс-М" на 4%;

• применение мероприятий ускоренного проведения ЛИ КА "Гло-насс-М" дает экономический выигрыш, эквивалентный 80% от стоимости изготовления и запуска одного КА Тлонасс-М";

• упреждающая отработка новых космических технологий на КА Тлонасс-М" позволяет снизить технические риски при ЛИ КА "Глонасс-К" и начать упреждающую эксплуатацию системы ГЛОНАСС в интересах новых потребителей;

2. Проведено обоснование необходимости применения вероятностной методики оценки количества КА в ОГ: для этапа развертывания модель 1, для этапа поддержания модель 2(при создании орбитального резерва).

3.Подтверждена эффективность ускоренного развертывания ОГ системы ГЛОНАСС с использованием разработанной методики:

• удвоение темпов запуска при сохранении общих затрат на запуски позволяет ускорить создание штатной ОГ на ~ 2 года при том же количестве запускаемых КА - 24 шт. и повышает вероятность развертывания ОГ с 0,84 до 0,933;

• затраты на создание двух рабочих мест по изготовлению комплектующих КА "Глонасс-M" можно считать упреждающими затратами на программу под КА Тлонасс-К";

4.Предложен инновационно-активный вариант реализации космической навигационной программы системы ГЛОНАСС и на основе разработанных методов представлены показатели и индикаторы выполнения программы. Ускорение сроков реализации Программы на ~ 2 года позволит приблизить получение ожидаемого социально-экономического эффекта от эксплуатации системы ГЛОНАСС, а именно:

• снижение затрат на транспортные перевозки;

• повышение безопасности транспортных перевозок;

• повышение национальной безопасности.

5 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных в работе исследований решена актуальная научно-техническая задача разработки комплексного подхода к созданию интегрированных глобальных навигационных спутниковых систем. Поставленная в работе цель достигнута.

Получены следующие основные научные и практические результаты прошедшие апробацию на реальных космических навигационных системах:

1) На основе анализа состояния и тенденций развития космических навигационных программ в России и за рубежом обоснована необходимость и предложены принципы интеграции космических навигационных технологий во все сферы человеческой деятельности (системная интеграция ГНСС), а так же интеграции отечественной ГНСС в международную GNSS-2. Разработан комплексный подход к созданию интегрированной ГНСС и критерии эффективности интеграции.

2) Разработано методическое обеспечение по модернизации и интеграции отечественной ГНСС: методика развертывания и поддержания орбитальных группировок; методика ускоренной модернизации ГНСС; методика оценки выполнения космической программы. Разработаны математические модели и критерии эффективности использования методик.

3. Подтверждена эффективность предложенного методического обеспечения:

• применение комбинированных запусков (совместно КА "Глонасс" и КА "Глонасс-М") дает экономию в один запуск РН "Со-юз-2" с одним К А "Глонасс" и повышает надежность программы пусков летных КА "Глонасс-М";

• применение мероприятий ускоренного проведения ЛИ КА "Глонасс-М" дает экономический выигрыш, эквивалентный 80% от стоимости изготовления и запуска одного К А "Глонасс-М";

• предложенный инновационно-активный вариант реализации космической навигационной программы системы ГЛОНАСС ускорит сроки реализации Программы на 2 года и позволит приблизить получение ожидаемого социально-экономического эффекта от ускоренного развертывания системы ГЛОНАСС, а именно:

- снижение затрат на транспортные перевозки;

- повышение безопасности транспортных перевозок;

- повышение национальной безопасности.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шилов, Анатолий Евгеньевич, 2007 год

1. Бусленко, Н. П. Лекции по теории сложных систем / Н. П. Буслен-ко, В. В. Калашников, И. Н. Коваленко. М.: Сов. радио, 1973. 440 с.

2. Вентцель, Е. С. Исследование операций. Задачи, принципы, методология /Е. С. Вентцель. 2-е изд., стер. М.: Наука, 1988. - 208 с.

3. Чеботарев, В.Е. Особенности проектирования навигационного К А: Вестник Сибирской аэрокосмической академии имени академика М.Ф. Решетнева: Сб. статей/ под ред. проф. Г.П. Белякова. Вып. 1. Красноярск.: САА, 2000 - 372 с.

4. Окунев, 10. Б. Принципы системного подхода к проектированию в технике связи /10. Б. Окунев, В. Г. Плотников. М.: Связь, 1976. -184 с.

5. Осин, М. И. Методы автоматизированного проектирования летательных аппаратов / М. И. Осин. М.: Машиностроение, 1984. -168 с.

6. Проектирование космических навигационных систем / А.Г. Козлов и др.. Красноярск: НИИ ИПУ, 2000. - 303 с.

7. Сетевые спутниковые радионавигационные системы. / B.C. Шеб-шаевич и др.; под ред. B.C. Шебшаевича. 2-е изд. перераб. и до-полн. М.: Радио и связь, 1993. - 408 с.

8. Шебшаевич, B.C. Введение в теорию космической навигации / B.C. Шебшаевич. М.: Сов. радио, 1976. - 245 с.

9. Ильичев, А.В. Эффективность проектируемых элементов сложных систем / А.В. Ильичев, В.Д. Волков, В.А. Грушинский. М.: "Высшая школа", 1982. - 280с.

10. Сетевые спутниковые радионавигационные системы. / B.C. Шебшаевич и др.; под ред. B.C. Шебшаевича. 2-е изд. перераб. и дополи. М.: Радио и связь, 1993. - 408 с.

11. Скубко, Р.А. Спутник у штурвала / Р.А. Скубко, Б.Г. Мордвинов. -Д.: Судостроение, 1989.-208 с.

12. Смирнов, Г.Д. Управление космическими аппаратами / Г.Д. Смирнов. -М.: Наука, 1978.- 192 с.

13. Спутниковые системы связи и навигации: сб. статей / под ред. М.К. Чмых. -Красноярск: КГТУ, 1997. 186 с.

14. Чернявский, Г.М. Орбиты спутников связи / Г.М. Чернявский, В.А. Бартенев. -М.: Связь, 1978. 240 с.

15. Эльясберг, П.Е. Введение в теорию полета ИСЗ / П.Е. Эльясберг. -М.: Наука, 1965.-540 с.

16. Спутниковые системы связи и навигации: Труды международной НТК (30 сентября 3 октября 1997 г.). Том 2. Отв. ред. М.К. Чмых. - Красноярск: Изд-во КГТУ. 1997. - 185 с.

17. Розанов, 10.А. Случайные процессы / Ю.А. Розанов. М: Наука, 1979.- 184 с.

18. Тараканов, К.В. Аналитические методы исследования систем / К.В. Тараканов, Л.А. Овчаров, А.Н. Тырышкин. М.: «Советское радио», 1974.-240с.

19. Итин С.П., Евтушенко Д.А. ИНС-Контроль универсальная диспетчерская система котроля местоположения транспортныхсредств на базе спутниковаых rjlOHACC/GPS-навигационных технологий и современных технологий связи, Интернет

20. Global Positioning System: Theory and Applications, Volume I, II. Edited by Bradford W.Parkinson, James J.Spilker Jr.

21. William M.Lear, Moises N.Montez, Lonnie M.Rater, Lubomir V.Zula The effect of selective availability on orbit space vehicles equipped with SPS GPS receivers. Proceedings of the ION GPS-92.

22. Galileo: Involving Europe in a New Generation of Satellite Navigation Services, European Commission, Brussels, 1999, http://www.galileo-pgm.org

23. V.Malyshev, V.Kurshin Adaptive navigation algorithm, GNSS200 conference, Edinburg, May 1-4.

24. Ван Дайк К. Использование спутниковых радионавигационных систем для обеспечения требуемого уровня характеристик глобальной навигационной спутниковой системе, Радиотехника, 1996, №1.

25. Brown R.G. GPS RAIM: Calculation of Thresholds and Horizontal Integrity Limit Using Chi-quare Methods A Geonetric Approach, RTCA Paper No.491-94/SC159-584, November 7, 1994.

26. В.Н.Почукаев О некоторых тенденциях в развитии систем управления КА, Космонавтика и ракетостроение, ЦНИИМАШ, 2000, №20.

27. Баринов К.Н., Бурдаев М.Н., Мамон П.А. Динамика и принципы построения орбитальных систем космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1975.

28. ЗЬБолдии В. А. Зарубежные глобальные системы навигации. — М.: Изд-во ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 1986.

29. Глобальная спутниковая навигационная система ГЛОНАСС. Под ред. Харисова В.Н., Перова А.И., Болдина В.А. 2-е изд. исправ. -М.: ИПРЖР, 1999.

30. Гусев Ю., Лебедев М. Перспективы развития спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС и ее интеграция с зарубежными навигационными средствами // Тр. Международной конференции "Глобальная радионавигация", М., 1995, с. 5.1—5.13.

31. Кудрявцев И. В., Клюшников С. Н., Федотов Б. Д. Перспективная авиационная спутниковая аппаратура потребителей, работающая по сигналам систем ГЛОНАСС/GPS // Радионавигация и время, РИРВ, 1992, № 1, с. 60—63.

32. Лебедев А.А., Красильщиков М.Н., Малышев В.В. Оптимальное управление движением космических летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1974.

33. Макода В. С. Тенденции развития спутниковых навигационных систем в США // Навигация и гидрография, ГОСНИНГИ, 1995, № 1, с. 26—128.

34. Малышев В.В., Красильщиков М.Н., Бобронников В.Т., Нестерен-ко О.П., Федоров А.В. Спутниковые системы мониторинга. Анализ, синтез и управление. -М.: Изд-во МАИ, 2000.

35. Назаренко А.И., Скребушевский Б.С. Эволюция и -устойчивость спутниковых систем. М.: Машиностроение, 1981.

36. Салищев В. А., Дворкин В. В., Виноградов А. А., Букреев А. М. Станция мониторинга радионавигационных полей систем ГЛО-HACC-GPS и определения дифференциальных поправок // Радиотехника, 1996, №1, с.89— 93.

37. Global Positioning System: Theory and Applications, Volume I, II. Edited by Parkinson B. W., Spilker J. J., American Institute of Aeronautics and Astronautics, Washington, 1996.

38. Juang J.C., Jang C.W. Failure detection approach applying to GPS autonomous integrity monitoring, IEE Proc.-Radar, Sonar Navigation, Vol. 145, No. 6, 1998.

39. Технические предложения. Многоцелевая космическая система "Глонасс-М".: в 15 т, т. 1. Принципы построения и основные характеристики многоцелевой системы "Глонасс-М" / В.Е. Чеботарев и др. //Железногорск: НПО ПМ, 1988-174 с, инв. 11409.

40. Технические предложения. Многоцелевая космическая система "Глонасс-М".: в 15 т., т. 4. / В.Е. Чеботарев и др. // Железногорск: НПО ПМ 1988-114 с, инв. 11421.

41. Эскизный проект. Единая навигационная система "Глонасс".: в 13 т., т. 1. Основные характеристики системы. / В.Е Чеботарев идр. // Железногорск: НПО ПМ 1978-249 с, инв. 7577.

42. Чеботарев, В.Е. Глобальная космическая навигационная система Глонасс: исторические аспекты создания. / В.А. Бартенев, В.Е. Ко-сенко, В.Е. Чеботарев // Космонавтика и ракетодинамика. М: ЦНИИ МАШ 2004 г № 4(37).

43. Глобальная космическая навигационная система Глонасс: Перспективы развития. / В.Е Чеботарев и др. // Космонавтика и раке-тодинамика. М: ЦНИИ МАШ 2004 г № 4(37).

44. Технические предложения на разработку перспективной ГНСС нового поколения. Отчет по НИР «Концепция-КМ». / В.Е. Чеботарев и др. // Железногорск: НПО ПМ, 2005. 186 с, инв. 13297.

45. Принципы построения интегрированных систем информационного обеспечения. /А.Е. Шилов и др.// Международная конференция "Решетневские чтения". Красноярск: СибГАУ, 2006.Л.14-15.

46. Концепция долговременной программы модернизации ГНСС ГЛОНАСС /А.Е. Шилов и др.// Международная конференция "Авиация и космос" М.: МАИ, 2006.Л.12.

47. Принципы спутникового координатно-временного и информационного обеспечения операций ВС РФ /А.Е. Шилов и др.// Третья военно-научная конференция КВ. Санкт-Петербург: ВКА имени А.Ф. Можайского, 2007.

48. Разработка проекта ТЗ на эскизный проект перспективной ГНСС "ГЛОНАСС". Отчет по НИР "Концепция-КМ". /А.Е. Шилов и др.//Железногорск: НПО ПМ. 2006. 205 е., инв. 13346.

49. Принципы и методы ускоренной модернизации глобальной навигационной спутниковой системы /А.Е. Шилов и др.// Космонавтика и ракетодинамика. М: ЦНИИМАШ 2007, №3(47).

50. Принципы и методы построения интегрированных космических систем информационного обеспечения /А.Е. Шилов и др.// 12-я Международная конференция "Системный анализ, управление и навигация. Крым, Евпатория, 2007.

51. Федеральная целевая программа « Глобальная навигационная сис-тема».г.Королев М.О. :ФК А-2006,259с.