ГМССБ. Спутниковая система КОСПАС-SARSAT

Организация и принцип действия системы КОСПАС-SARSAT

Система КОСПАС-SARSAT (КОСПАС - Космическая система поиска аварийных судов, SARSAT -Search and Rescue Satellite Aided Tracking) является международной системой, совместно разработанной организациями СССР, Канады, Франции и США. Она предназначена для обнаружения, идентификации и определения координат терпящих бедствие судов и самолетов с помощью аварийных радиобуев (АРБ), передающих радиосигналы на частотах 121,5 МГц и 406 МГц. Система построена на основе низкоорбитальных спутников, запускаемых на околополярную орбиту высотой 800...1000 км. В базовую конфигурацию входят четыре спутника.

В 1985 году система КОСПАС-SARSAT была объявлена эксплуатационной, а в 1988 году было подписано "Соглашение о Международной программе КОСПАС-SARSAT", которым регламентируется сотрудничество по эксплуатации и развитию системы, обеспечиваются ее долгосрочная эксплуатация и предоставление для использования всеми государствами.

Система КОСПАС-SARSAT является доплеровской навигационной системой и базируется на измерении доплеровского сдвига частоты радиосигнала, излучаемого АРБ, и вычислении координат АРБ по доплеровскому сдвигу частоты. Вычисление координат терпящего бедствие судна производится на борту спутника и на земных станциях.

Опознавание АРБ осуществляется по его идентификационному номеру, в качестве которого используется девятизначный номер ЦИВ (MMSI). Этот номер включается в излучаемый буем сигнал.

Работа базовой системы КОСПАС-SARSAT основана на ретрансляции сигналов бедствия через низкоорбитальные спутники (LEOSAR - Low Earth Orbit Search and Rescue) на береговые центры. Однако низкоорбитальные спутники имеют малую зону радиовидимости. Из-за этого задержка в доставке сигнала бедствия на берег может достигать до 1,5 часа.

Для устранения этого недостатка в настоящее время запущены три спутника на высокой геостационарной орбите (GEOSAR - Geostationary Earth Orbit Search and Rescue). Эти спутники способны ретранслировать сигнал бедствия практически без задержки от АРБ, находящихся в пределах действия геостационарных спутников, т.е. между 70°N и 70°S.

Система КОСПАС-SARSAT включает в себя:

• космический сегмент;
• земной сегмент;
• собственно АРБ.

Космический сегмент. В стандартную конфигурацию системы входят четыре спутника на низких полярных орбитах. Однако в настоящее время в эксплуатации находятся 8 спутников. Период обращения спутников составляет около 100 минут. Российские спутники типа Коспас/Надежда выводятся на круговые приполярные орбиты с высотой 1000 км. Спутника типа SARSAT, изготавливаемые и запускаемые США, Канадой и Францией, размещаются на круговых солнцесинхронных орбитах высотой 850 км. Общее число спутников постоянно наращивается; при развертывании системы КОСПАС-SARSAT их было 4, в настоящее время их количество доведено до 8-и.

Земной сегмент представлен 19-ю Центрами управления системой (ЦУС, МСС - Mission Control Centre), а также 38-ю Пунктами приема информации (ППИ, LUT Local-User Terminal) в 23-х странах. ЦУС занимаются координацией и обменом аварийной и другой служебной информацией, ППИ осуществляют прием ретранслируемых спутниками сигналов и их первичную обработку.

Аварийные радиобуи. АРБ представляют собой радиопередатчики, излучающие на частотах 406 МГц и 121,5 МГц. Они используются в интересах всех подвижных служб - морской, авиационной и сухопутной. Соответственно имеется три типа АРБ: морские (EPIRB - Emergency Position Indicating Radio Beacon), авиационные (ELT - Emergency Locator Transmitter) и переносные для использования на суше (PLB - Personal Locator Beacon).

Частота 406 МГц используется собственно для передачи импульсного сигнала бедствия, а на частоте 121,5 МГц излучается непрерывный тонально-модулированный сигнал малой мощности. Этот сигнал используется в ГМССБ для облегчения поиска путем пеленгования.

В случае бедствия АРБ включается (автоматически или вручную) и излучает сигналы, которые ретранслируются спутниками КОСПАС-SARSAT на береговые станции.

Организация системы КОСПАС-SARSAT на основе низкоорбитальных спутников (LEOSAR) с участием геостационарных спутников представлена на рис.5.1.

Важными преимуществами системы LEOSAR являются:

• глобальный охват всей поверхности Земли и
• возможность определения координат терпящих бедствие по доплеровскому сдвигу частоты.

Однако серьезным недостатком использования спутников на низких орбитах является значительная задержка в передачи сигнала бедствия на берег, которая может достигать 1,5 часов. Это связано с тем, что немедленная ретрансляция сигнала бедствия через спутник возможна только в случае одновременного нахождения береговой станции и АРБ в зоне радиовидимости спутника. Поэтому, как правило, передача сигнала бедствия осуществляется в режиме запоминания на спутнике с последующим сбросом его на береговую станцию. Кроме этого существует большое время ожидания спутника до приема им сигнала бедствия от АРБ. Эти факторы обуславливают значительное запаздывание между подачей сигнала бедствия и получением его на береговом центре.

Для устранения данного недостатка система низкоорбитальных спутников была дополнена тремя геостационарными спутниками на высокой орбите (GEOSAR). Совместная зона радиовидимости этих спутников охватывает практически всю поверхность Земли, исключая приполярные области. Сигнал от АРБ немедленно принимается и ретранслируется GEO-спутниками на береговые центры. Эти береговые центры называются GEOLUT. Одновременно, возможно с некоторой задержкой, сигнал бедствия принимается и ретранслируется также и LEO-спутниками. Схема размещения спутников на орбитах совместной LEOSAR-GEOLUT системы представлена на рис. 5.2.

Таким образом, геостационарные спутники являются дополняющими к низкоорбитальным спутникам КОСПАС-SARSAT так, что обеспечивается практически мгновенная доставка вызова бедствия и идентификация судна, а его координаты передаются затем в СКЦ с некоторой задержкой через низкоорбитальные спутники.

По требованиям ГМССБ включение координат в сигнал бедствия АРБ не обязательно. Поэтому в системе GEOSAR они не могут быть получены или вычислены, так как использование эффекта Доплера здесь принципиально невозможно. Тем не менее, ряд фирм уже начали производить АРБ с встроенным приемником GPS, наличие которого позволяет передавать в сигнале бедствия текущие координаты.

Зоны радиовидимости геостационарных спутников GOES-E, GOES-W, INSAT-2A показаны на рис. 5.3.

Принцип определения координат в системе КОСПАС-SARSAT

В системе КОСПАС-SARSAT передатчиком является аварийный радиобуй, а приемник сигнала бедствия находится на борту спутника. Определение координат АРБ осуществляется только лишь на основе измеренного значения доплеровского смещения частотым F_d.

Эффект Доплера заключается в изменении частоты принимаемого сигнала при взаимном перемещении приемника и передатчика. Причем при сближении передатчика и приемника частота принимаемого сигнала больше, чем передаваемого сигнала, а при удалении - меньше.

Как определить координаты буя только лишь по известному значению F_d не является очевидным. Ниже обосновывается такая возможность и поясняется сам принцип вычисления координат в системе КОСПАС-SARSAT.

При перемещении спутника, особенно низкоорбитального, когда эффект Доплера проявляется в максимальной степени, частота принимаемых колебаний отличается от частоты излучаемых колебаний. Причем разность этих частот - доплеровское смещение F_d - пропорциональна относительной скорости перемещения:

где V - скорость движения ИСЗ по орбите;

С - скорость распространения радиоволн;

α- угол между направлением на АРБ со спутника и вектором скорости;

λ₀- длина волны, соответствующая f₀,

V_r = V COS α - радиальная составляющая вектора скорости спутника.

Полагаем, что аварийный радиобуй неподвижен.

Во время движения ИСЗ доплеровское смещение частоты непрерывно меняется от F_{d max}= V / λ₀ (при α = 0) до F_{d min} (при α = 90 °). Последний момент называют моментом траверза, когда ИСЗ находится на кратчайшем расстоянии от наблюдателя.

Из формулы следует, что по измеренному значению частоты Доплера можно однозначно определить угол α , так как скорость спутника V и длина волны λ₀ известны и постоянны. Постоянному углу α в пространстве соответствует поверхность в виде конуса, вершина которого совпадает с положением спутника, а ось - с вектором скорости спутника. Таким образом, поверхность конуса является геометрическим местом положений АРБ, для которых доплеровский сдвиг частоты одинаков (рис. 5.4.). Другими словами, где бы на поверхности конуса не находился буй, для него будет получено одно и то же значение F_d .

Поверхность этого конуса называется изоповерхностыо с постоянным значением F_d=const. Так как АРБ находится на поверхности Земли, то его местоположение надо искать на кривой, по которой поверхность конуса пересекается с поверхностью Земли. Эта кривая получила название изодопы - изолинии на поверхности Земли, характерным свойством которой является постоянство доплеровского смещения частоты (F_d=const) Форма изодопы близка к сферической гиперболе.

Перемещение спутника приводит к перемещению соответствующей ей изодопы. Для определения координат АРБ требуются по крайней мере две изодопы. Изодопы пересекаются в двух точках, лежащих по разным сторонам от следа орбиты на поверхности Земли. Одна из этих точек пересечения и определяет местонахождение буя. Неоднозначность разрешается с помощью учета направления вращения Земли.

Режимы работы системы КОСПАС-SARSAT

Аварийный радиобуй излучает на двух частотах: 406 МГц в импульсном режиме с периодом повторения 50 сек. и на частоте 121,5 МГц в непрерывном режиме. На частоте 406 МГц сигнал бедствия АРБ содержит данные для опознавания - MMSI, также могут содержаться координаты в явном виде. На частоте 121,5 МГц излучается непрерывный сигнал малой мощности с амплитудной модуляцией. Сигналы на частотах 406 МГц и 121,5 МГц по-разному обрабатываются и ретранслируются спутниками.

Возможны два режима ретрансляции сигнала бедствия через низкоорбитальные спутники:

• немедленная ретрансляция;
• режим глобального охвата, характеризующийся запоминанием сигнала на спутнике с последующей передачей на береговую станцию.

Немедленная ретрансляция (Real Time Mode) характеризуется ретрансляцией спутником аварийного сигнала на ППИ без какой-либо задержки во времени. Спутники КОСПАС-SARSAT совершают оборот вокруг земного шара примерно за 100 минут, при этом обозревается участок поверхности Земли диаметром порядка 5000 км. Если АРБ и пункт приема информации одновременно находятся в зоне видимости спутника, то сигнал может быть ретранслирован непосредственно на ППИ. Зоны радиовидимости ППИ, в которых возможна передача в реальном масштабе времени, на рис. 5.5 выделены белым цветом. Такой режим непосредственной ретрансляции называют также локальным (Local mode).

В локальном режиме на берег ретранслируются сигналы на обоих частотах 406 МГц и 121,5 МГц. Расчет доплеровского сдвига и дешифрация сигнала производятся на берегу.

В остальных районах Мирового океана непосредственная ретрансляция сигнала бедствия на берег принципиально невозможна. Для доставки оповещения бедствия от АРБ используется.

Режим глобального охвата (Global mode) обеспечивается путем сохранения в памяти спутника информации, принятой от АРБ, с целью последующей передачи на ППИ по мере попадания его в зону видимости спутника. Таким образом, в данном режиме каждый АРБ может быть обнаружен всеми ППИ, находящимися в эксплуатации.

Режим глобального охвата поддерживается только на частоте 406 МГц. Поэтому частота 406 МГц является в ГМССБ основной для передачи вызовов бедствия и расчета координат. Сигнал на частоте 406 МГц принимается на спутнике, частично обрабатывается, запоминается и передается на береговой центр, причем в радиоканале спутник-ППИ используется несущая частота 1544,5 МГц.

Геостационарные спутники также принимают сигнал на частоте 406 МГц и немедленно ретранслируют его на береговые станции (GEOLUT), обслуживающие геостационарные спутники. Зоны радиовидимости GEO-спутников охватывают практически всю земную поверхность между 70°N и 70°S. Однако, на геостационарных спутниках не проявляется эффект Доплера. Координаты не могут быть определены, если они не содержатся в сигнале. Передача координат АРБ системы КОСПАС-SARSAT по требованиям ГМССБ не является обязательной.

Для передачи координат некоторые фирмы-производители встраивают в АРБ приемники GPS, что позволяет иметь на берегу полную информацию о терпящих бедствие сразу же после активации буя. Если же АРБ не имеет встроенного навигационного приемника, то информация о координатах может быть получена в спасательном центре с некоторой задержкой после ретрансляции и обработки сигнала бедствия через низкоорбитальные спутники в режиме Global mode.

Использование частот АРБ в различных режимах сведено ниже в таблице.

Частота 121,5 МГц в ГМССБ используется для ближнего поиска в районе бедствия путем пеленгования воздушными поисково-спасательными средствами. Поэтому ее часто называют "воздушной" частотой.

Точность определения местоположения АРБ в системе КОСПАС-SARSAT составляет примерно 5 км для АРБ 406 МГц и около 20 км для АРБ 121,5 МГц. Время доставки сигнала бедствия с координатами от момента включения АРБ до приема сигнала бедствия СКЦ, зависит от взаимного расположения спутников, расположения ППИ, местоположения АРБ относительно ППИ, широты места АРБ и от сети наземной связи.

Аварийный радиобуй АРБ-406

Аварийный радиобуй АРБ-406 МГц в ГМССБ применяется для передачи вызовов бедствия и приведения в готовность поисковые и спасательные службы в случае аварийной ситуации. Он осуществляет это, передавая после его активации сигнал бедствия. Сигнал бедствия на частоте 406 МГц передается в импульсном режиме, а на частоте 121,5 МГц - в непрерывном режиме. Сигнал бедствия через спутники передаётся в Пункт приема информации (ППИ, LUT) и далее на спасательно-координационный центр.

АРБ использует низкоорбитальную спутниковую систему КОСПАС-SARSAT на частотах 121,5 МГц и 406 МГц, а также геостационарные спутники на высокой орбите на частоте 406 МГц. Низкоорбитальные спутники обнаруживают передачу и кодированное сообщение, передаваемое аварийным буем, затем информация передаётся на береговые станции (LUT), которые обрабатывают сигналы АРБ, используя эффект доплеровского смещения. Если спутник в момент передачи сигнала бедствия находится не в пределах досягаемости LUT, то он будет хранить данные, передаваемые на частоте 406 МГц, пока не попадет в зону радиовидимости какой-либо земной станции. Временная задержка передачи на LUT будет зависеть от положения на земном шаре и времени следующего прохода спутника (дольше всего на экваторе и короче всего на полюсах). На экваторе временная задержка может быть в пределах 90 минут. Точность определения координат на частоте 406 МГц составляет 5 км.

Сигнал бедствия на частоте 406 МГц также немедленно ретранслируется геостационарными спутниками через береговые ППИ (GEOLUT) в спасательно-координационный центр. При этом координаты АРБ отсутствуют, если буй не содержит встроенный навигационный приемник.

АРБ устанавливается на судне совместно с укомплектованным механизмом самоотделения. Необходимо специально отметить, что АРБ не должен дополнительно привязываться никоим образом к каким-либо конструкциям судна, чтобы не препятствовать автоматическому отделению при возможном затоплении судна.

АРБ может включаться двумя способами:

• вручную;
• автоматически.

Ручное включение осуществляется тумблером на корпусе буя (или другим способом, согласно инструкции).

Автоматическое отделение АРБ происходит, когда срабатывает гидростат на глубине между 1,5 метрами и 4 метрами. Высвобождение АРБ технически может быть реализовано различными вариантами. Например, подпружиненное лезвие перерезает канатик, крепящий буй к кронштейну. Два электрода в основании буя обеспечивают электрический контакт при попадании буя в морскую воду. Находясь в морской воде, EPIRB автоматически включается примерно через 5 секунд.

Радиобуй питается от литиевых батарей, которые расположены в нижней части его корпуса. Органы управления АРБ сведены к минимуму; имеется кнопка для тестирования и тумблер автоматического/ручного (AUTO/ON) включения. В обычных условиях этот переключатель находится в положении AUTO и АРБ готов к автоматическому включению при погружении в воду. Для предотвращения случайного включения имеется пластиковая крышка на AUTO/ON выключателе.

Маршрутизация аварийных сообщений от АРБ-406

Схема маршрутизации (направление адресатам) аварийной информации представлена на рисунке. Сигналы бедствия от АРБ через спутник принимаются пунктами приема информации (ППИ) - Local User Terminal и через Центр управления системой (ЦУС) - Mission Control Center в расшифрованном виде доставляются в Спасательно-координационный центр (СКЦ) - Rescue Co-ordination Center.

В режиме работы в реальном масштабе времени, когда АРБ и ППИ находятся в зоне видимости спутника, информация от буя ретранслируется непосредственно на ППИ. Расчет доплеровского сдвига и обработка сигнала производятся на ППИ. Одновременно данные поступают в запоминающее устройство спутника для последующей передачи.

Режим глобального охвата обеспечивается путем сохранения в памяти спутника информации, принятой от АРБ, с целью последующей передачи на ППИ по мере их входа в зону видимости спутника. В данном режиме каждый АРБ может быть обнаружен всеми ППИ, находящимися в эксплуатации.

Сигнал бедствия также немедленно ретранслируются спутниками на геостационарной орбите в ППИ, обслуживающие эти спутники (GEOLUT). Этот сигнал, однако, не содержит координат, если буй не имеет встроенного навигационного приемника. Координаты могут быть получены несколько позже при ретрансляции через низкоорбитальные спутники.

ППИ передает информацию в национальный центр управления системой (ЦУС). Все ЦУС связаны друг с другом телефонной, телексной сетью или сетью передачи данных. От ЦУС информация оповещения о бедствии и местоположении поступает в соответствующий спасательно-координационный центр (СКЦ), который обеспечивает поиск и спасание.

Наличие в сигнале АРБ-406 кода страны позволяет ввести для каждого аварийного сообщения два направления передачи из центра системы КОСПАС-SARSAT: в СКЦ и в пункты связи национальных администраций, иначе говоря, национальным властям пользователя АРБ-406. Этим достигаются три важные для эффективности спасательной операции результата:

• в процессе операции может быть использована имеющаяся в распоряжении национальных властей детальная информация об аварийном объекте и его экипаже;
• к проведению операции могут быть привлечены значительные национальные силы и ресурсы;
• в процессе поисково-спасательной операции обеспечивается быстрое урегулирование всех вопросов, затрагивающих национальные интересы стран, чьи суда и самолеты терпят бедствие.

Для оценки времени задержки доставки оповещения бедствия на СКЦ через низкоорбитальные спутники следует принимать во внимание пять этапов:

1. выход АРБ-406 на режим стабильного излучения (время задержки после включения);
2. ожидание сеанса связи АРБ-ИСЗ;
3. сеанс связи;
4. перенос на борту ИСЗ запомненной информации от данного АРБ-406;
5. прием и обработка аварийной информации земными средствами системы.

Состав излучаемого импульса АРБ-406 (для радиоэлектроников)

АРБ-406 на частоте 406 МГц работает в импульсном режиме. Излучение соответствует классу G1B - фазовая модуляция цифровым сигналом без использования поднесущей частоты.

Параметры импульса и состав передаваемой информации приведены ниже.

Частота передачи

Частота излучения первоначально была установлена равной 406,025 МГц ± 2 кГц. С 1 января 2000 года производители АРБ могут устанавливать частоту излучения 406,028 МГц ± 1 кГц. Причем отклонение частоты от номинальной не должно превышать + 2 кГц / - 5 кГц за 5 лет (долговременная нестабильность). После 1 января 2002 года все одобренные типы АРБ должны иметь частоту излучения 406,028 МГц ± 1 кГц и удовлетворять приведенной выше стабильности.

Период повторения

Период повторения импульсов должен быть 50 секунд ±5%. Период повторения не должен иметь высокую стабильность так, чтобы два излучающих буя не передавали импульсы одновременно в течение продолжительного времени. В противном случае импульсы будут накладываться и подавлять друг друга.

Длительность импульса

Длительность импульса составляет 440 мс ± 1%.

Формат цифрового сообщения

Цифровое сообщение имеет формат приведенный в таблице 5.2. Оно состоит из 112 бит и может быть разделено на пять групп:

Первые 24 бита являются системными; они используются для тактовой и кадровой синхронизации.

Следующие 61 бит с 25-го по 85-й являются битами данных. Эти данные составляют поле защищенных данных. В данном поле зашифрован идентификатор судовой станции. По требованиям ГМССБ он должен совпадать с номером ЦИВ (MMSI).

Позиции 25 и 26 являются служебными.

Биты 27-36 задают код страны.

Биты 37-85 используются для идентификации АРБ и возможной записи координат. Для морских АРБ координаты не обязательно включаются в это поле. Если АРБ имеет встроенный приемник GPS, то координаты от него передаются в данном поле и могут быть получены в СКЦ практически сразу же после активации буя через спутники на геостационарной орбите.

Биты 84-85 определяют тип встроенного в буй приводного устройства:

00 - приводное устройство отсутствует,

01 - 121,5 МГц (отвечает требованиям ГМССБ),

10-9 ГГц транспондер,

11 - другой тип приводного устройства.

Поля данных сообщения

Последующие 21 бит с 86-й по 106-ю позицию представляют собой корректирующий код Боуза-Чоудхури-Хоквингема, который позволяет исправить возможные ошибки данных. Данный код позволяет обнаружить и исправить до трех ошибок в последовательности из 82 бит (поле данных + код БЧХ).

Параметры АРБ (частота, стабильность частоты, передаваемые данные и др.) измеряются специальными контрольными приборами при ежегодном освидетельствовании буев. Подробную информацию по системе КОСПАС-SARSAT, техническим требованиям, проведению испытаний буев и др. можно получить на открытом сайте http://www.cospas-sarsat.org.

Контрольные вопросы

1. Каково назначение и принцип действия системы КОСПАС-SARSAT?
2. Каков состав системы КОСПАС-SARSAT на основе низкоорбитальных спутников? Как называются береговые земные станции?
3. Каково назначение частот 406 МГц и 121,5 МГц?
4. Какие режимы при передаче сигнала бедствия используются в системе КОСПАС-SARSAT?
5. Каковы преимущества и недостатки использования низкоорбитальных спутников?
6. В чем заключается эффект Доплера и как он используется для измерения координат?
7. Какие преимущества дают геостационарные спутники при ретрансляции сигнала бедствия АРБ-406?
8. Какая информация передается при включении аварийного буя КОСПАС-SARSAT?
9. Каков маршрут доставки аварийного сигнала от АРБ-406 с спасательно-координационный центр?
10. Дайте расшифровку, перевод и понятия следующих аббревиатур: SARSAT, LEO, GEO, LUT, MCC, RCC, EPIRB.
11. Каков формат передаваемых данных АРБ-406? (для РЭ)
12. Каким образом осуществляется защита от ошибок в аварийном вызове на частоте 406 МГц? (для РЭ)

Литература

 

Глобальная морская система связи для безопасности мореплавания ГМССБ (GMDSS) - А.В. Шишкин, В.И. Купровский, В.М. Кошевой [2007]

• ГМССБ. Информация по безопасности мореплавания
• Радиооборудование ГМССБ
• ГМССБ. Автоматическая идентификационная система (АИС)
• ГМССБ. Спутниковая система ИНМАРСАТ
• ГМССБ. Принципы морской радиосвязи