Направления модернизации аппаратной части и программного обеспечения радионавигационной системы «Крабик-БМ»

Введение. В настоящее время спутниковые радионавигационные системы (СРНС) обеспечивают высокую точность определения координат и дают возможность выполнения навигационных измерений в любой точке Земли [1; 2]. Вместе с тем СРНС присущи высокая стоимость и сложность развертывания, что прежде всего связано с затратами по развертыванию и восполнению орбитальной группировки навигационных космических аппаратов. Кроме того, при использовании СРНС в стандартном режиме точность определения координат объектов ухудшается в первую очередь за счет влияния ионосферной погрешности, которая устраняется не полностью при использовании одночастотных измерений и моделей ее предсказания. Двухчастотные измерения позволяют повысить точность определения ионосферных поправок к измеренным квазидальностям, однако остаточная погрешность измерения места объектов остается в пределах нескольких метров. При этом использование двухчастотных измерений приводит к удорожанию аппаратуры, повышению ее массы и габаритов, усложнению алгоритмов обработки навигационной измерительной информации. Известно, что повысить точность определения места объектов по сигналам СРНС можно за счет реализации дифференциальных методов измерений, однако это требует развертывания дополнительных контрольно-корректирующих станций, расположенных в точках с известными координатами [1]. К недостаткам СРНС можно также отнести низкую помехозащищенность вследствие слабого энергетического потенциала радиолинии «спутник–потребитель».

В связи с приведенными выше недостатками, использование только СРНС для решения поставленных задач часто не удовлетворяет требованиям некоторых потребителей, что приводит к тому, что наземные радионавигационные системы (РНС) по-прежнему занимают важное место среди средств навигационного обеспечения ряда объектов, например, морских судов [3]. При этом РНС не подвержены влиянию ионосферы вследствие того, что они работают по поверхностной волне, распространяющейся в приземном слое атмосферы, а в силу меньшего по сравнению с СРНС расстояния между опорными навигационными пунктами и потребителем обеспечивается более высокий энергетический потенциал. Следствием этого является более высокая степень защищенности от помех как естественного, так и искусственного происхождения [4]. При этом сама РНС целиком находится в руках пользователя, в отличие от СРНС, где рядовой пользователь имеет только аппаратуру потребителей и никак не может повлиять на качество работы космического сегмента СРНС.

Наземная РНС «Крабик-БМ». В Красноярске с 1981 года в НПО «Сибцветметавтоматика» проводились работы по созданию РНС «Крабик-БМ». В 1990-е годы данные работы были свернуты в силу известных экономических причин, однако с началом 2000-х годов эти работы были возобновлены уже на предприятии «Радиосвязь» [5–7]. В результате проведенных работ в настоящее время АО «НПП «Радиосвязь» осуществляет серийный выпуск РНС ближней навигации «Крабик-БМ» [8], которая была разработана совместно с ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет». При этом при разработке данной РНС было принято следующее разделение труда: аппаратная часть разрабатывается и выпускается предприятием «Радиосвязь», в то время как разработкой, модернизацией и поддержкой программного обеспечения занимаются сотрудники Сибирского федерального университета.

Разработанная и выпускаемая РНС «Крабик-БМ» является морской фазовой радионавигационной системой УВЧ-диапазона, предназначенной для высокоточной геодезической координатной привязки подвижных и стационарных надводных объектов [8–11]. Также имеются результаты исследований и наработки по использованию данной РНС для определения координат наземных [12; 13] и воздушных [14; 15] объектов.

Причины проведения модернизации РНС «Крабик-БМ». На сегодняшний день в целях повышения конкурентоспособности поставлена задача по модернизации аппаратного и программного обеспечения РНС «Крабик-БМ» [6]. Необходимость осуществления модернизации является следствием ряда причин:

– использование устаревших технологий и элементной базы, которую стало практически невозможно приобретать вследствие прекращения выпуска;

– слабые возможности сопряжения с современными внешними устройствами, используемыми для вывода навигационной информации и повышения точности определения места объектов;

– высокая себестоимость комплектующих изделия;

– необходимость использования возросших возможностей современных операционных систем и вычислительной техники для повышения уровня удобства использования программного обеспечения и расширения его сервисных и функциональных возможностей.

Модернизация элементной базы приемопередатчиков РНС. Осуществление модернизации аппаратной части РНС «Крабик-БМ» имеет несколько возможных направлений, наиболее перспективным среди которых можно считать использование систем на кристалле (СнК), например, Zynq-7000 фирмы Xilinx [16].

Устройства семейства Zynq-7000 сочетают в себе программные возможности высокопроизводительного процессора ARM Cortex-A9 с двумя вычислительными ядрами и программируемой логики Artix/Kintex-7, что обеспечивает высокий уровень производительности, гибкости и масштабируемости. При этом программируемая логика Zynq-7000 позволяет легко изменять архитектуру системы, приспосабливая её под решение определенной задачи при помощи специализированных периферийных устройств или модулей расширения. Интеграция на одном кристалле процессорной системы (ПС) и программируемой логики (ПЛ) даёт существенный прирост производи- тельности за счет ускорения обмена данными между ПС и ПЛ. Весь процесс инициализации платформы Zynq-7000 контролируется процессором. Это означает, что ПС может осуществлять свою работу независимо от ПЛ. Конфигурация ПЛ может быть выполнена как при инициализации системы, так и в другие произвольно выбранные моменты времени.

Структурная схема действующих приемопередатчиков (ППРД) РНС «Крабик-БМ» представлена на рис. 1. Конструктивное исполнение одной станции представляет собой совокупность съемных блоков: блок приемника (ПРМ), блок устройства цифровой обработки (УЦО), блок передатчика (ПРД), а также блок питания, включающий в себя усилитель мощности и антенный коммутатор. Каждый из блоков выполнен на отдельной плате, что в значительной степени сказывается на результирующих массогабаритных показателях ППРД.

Взаимодействие блоков осуществляется через группу физических интерфейсов обмена, которые в настоящее время являются устаревшими и в скором времени могут перестать удовлетворять требованиям по производительности. Кроме того, использование таких связей между блоками снижает надежность ППРД.

Структурная схема ППРД после соответствующей модернизации с использованием платформы Xilinx Zynq-7000 приведена на рис. 2. Конструктивное исполнение ППРД будет представлять собой единый блок, центром которого будет система на кристалле Zynq-7000. Функции вычислителя будут выполняться процессорной частью системы, а вся программная логика блоков ПРМ, УЦО, ПРД будет перенесена и доработана под конкретную логику Zynq-7000.

Следует отметить, что отказ от комбинированного решения из нескольких устаревших ПЛИС и вычислителя и их замена представителем СнК семейства Zynq-7000, содержащим экономичную логику FPGA Artix-7, например серии Z-7020, приведет к существенному снижению себестоимости РНС. Возможностей СнК данной серии с избытком хватит для осуществления всех функций управления и обработки сигналов, возложенных на унифицированные ППРД РНС.

Использование современных операционных систем и их программных возможностей, адаптированных под СнК Zynq-7000, открывает большие возможности по сопряжению и высокоскоростному обмену данными с внешними устройствами. Также стоит отметить и то, что возможности платформы Zynq-7000 определяются не только высокими техническими характеристиками, но и развитой средой разработки, которую компания Xilinx предлагает для аппаратной конфигурации и отладки программного обеспечения своих устройств [17].

Модернизация программного обеспечения бортовой станции. Другим направлением модернизации РНС является замена используемого в бортовой станции (БС) данной системы пульта управления и индикации на мобильный персональный компьютер типа NoteBook. При этом ставится задача разработки новой версии программного обеспечения вторичной обработки информации БС данной РНС. В настоящее время авторами выполняется разработка указанного программного обеспечения, которое будет функционировать под управлением операционной системы Windows XP/7, а в дальнейшем возможен переход к работе под управлением операционных систем семейства Linux.

Общий вид главного окна разрабатываемой программы приведен на рис. 3. В верхней части приведенного окна находится виджет ввода исходных данных. Он имеет ряд вкладок, в которых сгруппированы однотипные данные, что упрощает для пользователя выполнение их ввода.

На вкладке «Общ» вводятся общие параметры программы, такие как система координат всех объектов, признаки широты и долготы объектов, расхождение между местным и гринвичским временем. На вкладке «ОС» пользователю предоставляется возможность ввести координаты береговых опорных станций (ОС) в заданной системе координат, на вкладке «БС» вводятся координаты бортовых станций, вкладка «ППМ» обеспечивает ввод координат поворотных пунктов планируемого маршрута движения БС.

Рис. 1. Структурная схема приемопередатчика РНС «Крабик-БМ»

Рис. 2. Структурная схема модернизированного приемопередатчика РНС «Крабик-БМ»

Рис. 3. Главное окно программы вторичной обработки бортовой станции

Вкладка «Скор. э/м» позволяет ввести значения скорости распространения электромагнитных волн. При этом в программе предусмотрено 5 способов учета скорости электромагнитных волн [Ошибка! Ис точник ссылки не найден.]:

• -    своя скорость распространения - пользователь вручную вводит значение скорости распространения радиосигналов в атмосфере;

• -    стандартная - пользователь вводит значение стандартной скорости распространения электромагнитных волн, принятое в соответствии с рекомендациями Международного геодезического и геофизиче-

• ского союза, Международного научного радиосоюза, с учетом стандартного значения показателя преломления [19];

• -    скорость распространения вычисляется по индексу рефракции воздуха, вводимому оператором;

• -    скорость распространения вычисляется по метеопараметрам (температура, давление, влажность), которые также вводятся оператором вручную; расчет скорости распространения осуществляется в соответствии с выражениями, приведенными в [19];

  – автоматический расчет скорости распространения по метеопараметрам, автоматически вводимым с метеостанции, подключаемой к ППРД БС.

Программа обеспечивает автоматический ввод результатов измерений метеостанции, которая может входить в состав бортовой станции РНС «Крабик-БМ». Используя эти данные, определяется индекс рефракции атмосферы и скорость распространения сигналов для текущих погодных условий (температура, давление и влажность воздуха), измеренных в месте нахождения БС [12].

В нижней части приведенного на рис. 3 окна показан виджет выдаваемой в результате расчетов информации. При этом выводится как массив данных, поступающих от ППРД (вкладка «raw»), так и другие промежуточные параметры, требуемые для контроля правильности выполнения всех операций, предусмотренных алгоритмом обработки измеренных значений.

На рис. 3 показан вид вкладки «Координаты», на которой отображаются координаты БС в заданной системе координат. Следует отметить, что программой обеспечивается расчет и отображение значений координат в прямоугольной системе координат Гаусса (вкладка «XY»), а также географических координат, которые выводятся в трех форматах:

• –    градусы с плавающей точкой (вкладка «гг.ггг»);

• –    градусы, минуты с плавающей точкой (вкладка «гг мм.ммм»);

• –    градусы, минуты, секунды с плавающей точкой (вкладка «гг мм сс.ссс»).

Кроме того, вычисляются и выводятся оператору параметры эллипса погрешностей определения координат объектов, в частности, на рис. 3 отображаются такие параметры эллипса погрешностей, как большая и малая полуось, направление большой полуоси, а также среднеквадратическая погрешность определения координат БС. Используя указанные параметры, пользователь может судить о точности измеренных координат.

В нижней части окна выводимой информации о координатах БС отображаются сообщения NMEA-0183, выдаваемые во внешние устройства. Рабочая программа обеспечивает вывод координат и измеренных дальностей во внешние устройства в соответствии с протоколом NMEA-0183 (международный стандарт IEC 61162-1) [20]. Программа обеспечивает выдачу во внешние устройства следующих сообщений: GLL, OSD, VTG, ZDA, RMС [20]. Кроме того, для выдачи значений измеренных радиодальностей используется собственное сообщение DAL, в составе которого во внешние устройства выводятся значения расстояний между БС и соответствующими ОС, а также значения координат БС в прямоугольной системе Гаусса.

Программа обеспечивает расчет скорости движения БС, которая выводится в м/с, км/ч и узлах. Для уменьшения случайных погрешностей измерений фазовых сдвигов используется программная фильтрация полученных значений как на этапе обработки измеренных значений фазовых сдвигов, так и после расче- та координат. Для сброса фильтров и приведения их в исходное состояние используется кнопка «Сброс» (рис. 3).

В качестве сервисных задач, помогающих при вождении судов, реализован расчет параметров маршрутной навигации, таких как длина всего маршрута и текущего галса, пройденное и оставшееся расстояние на маршруте и на галсе, боковое отклонение от заданной линии галса, маршрутные координаты БС, полученные как проекция на заданную линию пути, путевой угол движения БС. Предусмотрено также непрерывное вычисление расстояния и угла пеленга на заданную пользователем точку, названную в программе специальным пунктом, что позволяет в любой момент времени знать положение БС относительно нее. Имеются возможности запоминания на экране заданной маршрутной точки (МТ) при нажатии кнопки «МТ», что может быть использовано для занесения координат текущей точки в судовой журнал. При этом вместе с координатами запоминается также время фиксации момента прохождения заданной МТ.

Вышеописанная программа в настоящее время разрабатывается в кроссплатформенной среде программирования Qt и обеспечивает работу под управлением операционной системы Windows XP/7. Обеспечение запуска программы под управлением других операционных систем, например Linux или Android, требует только перекомпиляции исходного кода [21]. Это позволит в дальнейшем отказаться от использования операционной системы Windows и перейти к работе в среде операционных систем с открытым исходным кодом.

Заключение. В настоящее время при непосредственном участии авторов статьи проводится разработка и тестирование программного обеспечения программируемой логики и процессорной системы на отладочных платах СнК Zynq-7000, а также разработка программного обеспечения вторичной обработки результатов измерений, выполняемых бортовой станцией.

Выполнение модернизации РНС в соответствии с рассмотренными выше направлениями дает основания ожидать не только повышение надежности и снижение массогабаритных показателей ППРД РНС, но и появление новых возможностей для дальнейшего совершенствования алгоритмов обработки информации, измерение параметров сигналов и расширение функциональных возможностей РНС за счет существенного возрастания используемых вычислительных мощностей и емкости элементной базы.

В частности, могут быть решены следующие задачи:

• –    метрологическое тестирование и автоматизированная самодиагностика аппаратуры ППРД не только на этапе изготовления и испытаний, но и на этапе эксплуатации изделия;

• –    использование сложных сигналов для повышения устойчивости к воздействию помех и отраженных сигналов;

  – реализация режима цифровой служебной связи между станциями РНС как в процессе функционирования, так и развертывания системы.

Все это позволит и далее успешно использовать РНС «Крабик-БМ» для решения возложенных на нее задач, тем более, что более чем 10-летний опыт серийного выпуска и эксплуатации системы показывает, что она является весьма востребованной как автономная навигационная система для решения задач определения координат объектов на морских акваториях.