Навигационные системы для беспилотного транспорта

В настоящее время в России только в области навигации действует более ста нормативных и регулирующих документов, начиная от указов президента Российской Федерации и Радионавигационного плана РФ и заканчивая ГОСТ о навигационных системах.

Вместе с тем стоит отметить, что наиболее развитой системой навигации как в России, так и в мире является спутниковая навигация. Она есть в каждом смартфоне, почти в каждом автомобиле, не говоря уже о грузопассажирском транспорте, без нее невозможно себе представить такси, службы доставки, морской и авиатранспорт. Однако в последнее время ситуация со спутниковой навигацией начала изменяться.

Первым сигналом, предупреждающим о том, что необходимо разрабатывать помехоустойчивые решения спутниковой навигации, были события в Сирии, когда возникали трудности со спутниковой навигацией на значительной акватории Эгейского моря. Специальная военная операция стала новым вызовом в вопросах доступности и достоверности навигации по ГНСС, в то время как развитие беспилотных средств пошло семимильными шагами.

Академик В. И. Вернадский говорил: «Война — двигатель прогресса, именно там востребованы новшества, двигающие научные знания и научные изыскания». Правда, он говорил это применительно к Крымской войне 1853–1856 годов, но от этого выражение не становится менее актуальным.

Резко активизировались разработка и применение FPV-дронов (роботов), причем во всех физических средах сразу — в воздухе, на море и на земле. Если вопросы с технической составляющей таких изделий существуют, но они решаемы, то в части навигационного обеспечения события 2023 года показали слабые стороны как созданного навигационного поля России, так и навигационной аппаратуры потребителя.

Основной вывод, который можно сделать в текущей ситуации, — это незащищенность навигационного поля тыловых территорий перед преднамеренными/непреднамеренными помехами и спуфингом.

Развитие спутниковых систем навигации обеспечило навигационной информацией самые труднодоступные и удаленные районы нашей страны, предоставило возможность как физическим лицам, так и транспортным средствам получать информацию о своем местоположении с необходимой точностью и достоверностью. В настоящее время навигационная аппаратура потребителя, в самом простом исполнении, является составной частью персонального средства коммуникации — телефона (смартфона, планшета, ноутбука). Однако вся эта достаточно хорошо отлаженная система столкнулась с проблемой точности и достоверности.

К числу основных сложностей спутниковой навигации, наблюдаемых не только специалистами, но и рядовыми потребителями услуг ГНСС, в виде невозможности/недостоверности решения навигационной задачи в типичных условиях мегаполиса, следует отнести такие факторы, как затухание навигационных сигналов в условиях плотной городской застройки, а также явление многолучевости, вызванное переотражением сигналов от различных объектов, недостаточное количество «видимых» навигационных космических аппаратов в зоне использования навигационной аппаратуры потребителей (НАП), а также непреднамеренные промышленные помехи различной природы происхождения. В настоящее время в связи с проведением специальной военной операции и активным развертыванием средств РЭБ для защиты критически важных объектов и крупных агломераций существуют проблемы, способные оказать существенное воздействие на качество навигационных услуг.

Все вышеперечисленные обстоятельства не обеспечивают требуемые параметры предоставления навигационных услуг, что может оказывать негативное воздействие на транспортную инфраструктуру, системы связи, энергетические объекты, функционирование критически важных государственных сервисов.

Для решения задачи обеспечения требуемого качества навигационных услуг рассмотрим состав элементов, определяющих навигационное поле Российской Федерации. В навигационное поле входят ГНСС, ГЛОНАСС и аналогичные иностранные системы, наземные радионавигационные системы дальней и ближней навигации и другие системы (рис. 1).

Рисунок 1. Навигационное поле Российской Федерации

На рисунке представлена только часть навигационных систем, составляющих навигационное поле РФ. Сюда не включены локальные радионавигационные системы, авиационные навигационные системы, коротко- и длинноволновые радиостанции и другие радиотехнические средства.

В соответствии с «Законом о навигации» у каждой навигационной системы есть свой хозяйствующий субъект от федерального органа исполнительной власти (ФОИВ) до частного юридического лица. Для каждой системы есть своя навигационная аппаратура потребителя, отличающаяся габаритами, функционалом, надежностью.

Таким образом, все многообразие навигационных систем используется в интересах отдельных ведомств или ФОИВ, навигационная аппаратура потребителя отличается многообразием и неспособна принимать и обрабатывать навигационные сигналы других систем.

Представляется целесообразным решение данной задачи вести одновременно по двум направлениям.

Первое направление — это работы по созданию набора ЭКБ, обеспечивающего:

— повышенную помехоустойчивость (как к переотраженным навигационным сигналам, естественным помехам, так и к спуфингу);

— идентификацию доверенности потребителей (прекращение предоставления навигационных услуг злоумышленникам);

— повышение надежности предоставления услуг за счет комплексирования сигналов различных навигационных систем при изменении окружающей обстановки (пересеченная местность, тоннели, карьеры и т. п.), а также в условиях повышенной помеховой обстановки.

Это достаточно трудоемкое направление. Первые две задачи решаются при проектировании новых систем, и все разработчики навигационной аппаратуры в той или иной степени учитывают вопросы помехоустойчивости. В настоящее время есть опыт и наработки по идентификации потребителей. Однако зачастую аппаратная часть различных НАП отличается не только энергопотреблением и вычислительными мощностями, но и габаритами. И если спутниковая навигационная аппаратура в форм-факторе смартфона никого не удивляет, то навигационная аппаратура потребителей наземной навигации с трудом встраивается в габариты обыкновенного тостера.

Комплексирование различных навигационных систем, которые работают в разных частотных диапазонах и имеют различные принципы измерений навигационных параметров, позволит не только повысить непрерывность определения местоположения, но и доступность, и надежность навигации даже в условиях сложной помеховой обстановки, включая возможное наличие преднамеренных помех.

Представляется целесообразным создание набора ЭКБ и использование алгоритмов комплексирования различной навигационной информации, что позволит не только значительно уменьшить габариты навигационной аппаратуры потребителя, но и обеспечить гарантированное определение местоположения объекта в условиях изменения окружающей обстановки и сложной помеховой обстановки за счет уменьшения величин случайных и систематических погрешностей измерений навигационного параметра менее точных навигационных систем.

Основой построения такой комплексированной навигационной аппаратуры потребителя являются микросхемы высокочастотного тракта и микросхемы корреляционной обработки, при этом в основе построения таких микросхем лежит реализация типовых алгоритмов обработки навигационного сигнала. Общий подход к формированию номенклатуры ЭКБ для навигационной аппаратуры потребителя можно представить следующим образом.

1. СБИС радиочастотного тракта (РТ), которая обеспечивает прием сигналов всех навигационных спутниковых систем во всех частотных диапазонах, а также сигналов радионавигационных систем дальней (РСДН, МАРС-75), ближней (РС-10, РМД-90, ДМЕ-2000, КРМ-300) и локальной навигации (Крабик БМ, КОНСУЛ).

2. СБИС навигационного процессора общедоступных (открытых) сигналов (НПОС), решающая все задачи, связанные с обработкой общедоступных (открытых) навигационных сигналов — корреляционная обработка, решение навигационных и сервисных задач. Таким образом, СБИС позволит реализовать самые передовые алгоритмы обработки навигационных сигналов всех этапов обработки, включая:

— комплексную обработку и выработку навигационного решения на основе сигналов различных радионавигационных систем (ГНСС, ИФРНС, ЛСН), инерциальных и одометрических датчиков;

— сложные алгоритмы детекции пассивных и активных помех в полосе принимаемых сигналов и контроля целостности навигационного решения.

Опыт последнего времени показал, что на линии боевого соприкосновения, а также для защиты важных стратегических объектов противником активно применяются средства РЭБ, что снижает эффективность радионавигационных систем.

Формирование требований к перспективным СБИС навигационного процессора, обеспечивающего комплексную обработку сигналов различных радионавигационных систем (ГНСС, ИФРНС, ЛСН), инерциальных и одометрических датчиков, позволит после выполнения ОКР и реализации данных СБИС проектировать малогабаритные навигационные приемники для систем, требующих более высокую помехоустойчивость и точность навигации в условиях воздействия РЭБ противника.

В конечном счете этот подход приведет к созданию современной, универсальной ASIC (application-specific integrated circuit, «интегральная схема для конкретного применения»), которая реализует все этапы обработки, в том числе и комплексирования, доступных навигационных сигналов с целью решения навигационной задачи.

Второе направление — это формирование единого центра навигационных компетенций для решения в первую очередь вопросов единства требований к элементам системы координатно-временного обеспечения (рис. 2). От решения этих вопросов напрямую зависит скорость, качество и функциональность ЭКБ, разрабатываемой дизайн-центрами микроэлектроники.

Рисунок 2. Для чего нужен центр компетенций

Основные направления деятельности НЦКР представляются следующим образом.

1.               Фундаментальное направление решает задачи:

— установление фундаментальных систем небесных и земных координат и мониторинга параметров вращения Земли;

— установление национальной шкалы координированного времени UTC(SU) и поддержание ее в заданных пределах по отношению к шкале Всемирного координированного времени UTC;

— развитие и поддержание картографической основы.

2.               Направление формирования искусственных навигационных полей решает задачи создания интегрированного навигационного поля на единой координатной и временной основе, удовлетворяющего требованиям потребителей всех классов, и объединяет следующие средства радионавигации:

— радионавигационная система космического базирования (ГЛОНАСС);

— радионавигационные системы наземного базирования;

— дальней навигации (ФРНС, ИФРНС);

— ближней навигации (РСБН, морские радиомаяки).

3.               Контрольно-регламентирующее направление решает задачи:

— нормативно-правового обеспечения;

— радиочастотного обеспечения;

— метрологического обеспечения;

— лицензирования;

— сертификации.

4.               Информационно-телекоммуникационное направление решает задачи:

— объединения элементов и систем КВНО в единую инфраструктуру;

— организации эффективного информационного обмена и обеспечения доступа пользователей к информационным ресурсам КВНО, в том числе создания инфраструктуры пространственных данных;

— обеспечения взаимодействия инфокоммуникационных сетей и систем КВНО с другими государственными инфокоммуникационными системами;

— обеспечения информационной безопасности инфокоммуникационных сетей и систем КВНО;

— сбора и передачи базовых данных для последующей обработки;

— распределенной обработки информации;

— выдачи информации пользователям в согласованных форматах и протоколах;

— хранения информации каталогов и банков данных;

— поддержки системы обмена информацией и служебного документооборота.

5.               Рыночное направление решает задачи:

— организации массового производства и внедрения конкурентоспособной координатно-временной и навигационной аппаратуры и оборудования потребителей;

— формирования рынка координатно-временных, навигационных и информационно-телекоммуникационных услуг, ориентированного на централизованную обработку координатно-временных решений удаленных абонентов и широкополосный интерактивный доступ к координатно-временной и навигационной информации;

— создания инфраструктуры предоставления массовых услуг КВНО.

К числу первоочередных задач Национального центра компетенций радионавигации следует отнести:

— разработку федерального закона о деятельности в сфере КВНО;

— определение органа государственной власти, ответственного за КВНО в целом;

— формирование актуального федерального плана координатно-временного и навигационного обеспечения;

— формирование целевой программы мероприятий по созданию и развитию инфраструктуры предоставления услуг КВНО;

— выработку и реализацию мер по стимулированию сектора экономики КВНО и поддержке отечественных производителей;

— разработку актуальных технических регламентов, стандартов в области КВНО.

Исходя из вышеизложенного, основным вектором развития координатно-временного обеспечения в интересах Российской Федерации является комплексирование радионавигационных навигационных систем, что в свою очередь поднимает вопрос централизованной работы по формированию требований к глобальному радионавигационному полю, формируемому в интересах РФ.

Кроме того, получив возможность комплексного использования всех радионавигационных систем, следующим шагом в развитии системы координатно-временного обеспечения может стать мониторинг состояния навигационного поля и трансформация его в интересах конкретных пользователей. Однако создание такого функционального навигационного поля требует выработки требований к радионавигационным сигналам, стандартам обмена служебной информацией как внутри одной навигационной системы, так и между различными навигационными системами.

Таким образом, представленные направления и подходы позволят не только повысить надежность и помехозащищенность предоставляемых потребителю навигационных услуг, но и обеспечить планомерное, эффективное развитие технологий координатно-временного обеспечения, а также выход на глобальный рынок навигационных услуг дружественных государств.