автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Анализ влияния подстилающей поверхности и параметров движения воздушного судна на точность местоопределения с использованием спутниковых РНС при малых высотах полета



ЛЕСЕГЕЭ ИГПРЬ КИХЙЙЛОВИЧ

Не плавай рукхзписи Экз. М '

УСК ¿21.396.9В

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ И ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ СОЗДУЙНОГО СУДНА НА ТОЧНОСТЬ МЕСТООПРЕЯЕЛЕНИЯ С ИСПОЛЬЭСЗВЙН1ЛЕИ СПУТНЯКСЗЫХ РНС ПРИ МАЛЫХ ВЫСОТАХ ПОЛЕТА

C3.t2.C4 - Радиолокация и радионавигация

л г

диссертации на сотгк«"«» ученой степени кандидата технически* наук

Яосков - 1996

Работа выполнена в Московском Государственном техническом университете гражданской авиации.

Научный руководитель —

доктор т&хничэских мггк, лро^ессо^» ¿кггде-

мик Нью-йоркской Академии наук, член-корреспондент Академии транспорта РФ РУБЦОВ

Б^ициальны» оппоненты -

доктор технических наук, ст.научный сотрудник ПРОХОРОВ A.B.

кандидат технических наук, доцент ХАЧИКЯН В-А.

Ведущий организация - Московское конструкторское 6WPO "КОМПАС"

Защита диссертации состоится "___"________,___1996г. е_____часоэ

на заседании диссертационного Совета Д.072.03.03 в Московском Госу-дарстзснном техническом университете гражданской авиации (125493, Москва, уп. Пулковская , 6а)

С диссертацией мохно ознакомиться в библиотеке МГТУ ГА.

Автореферат разослан " " _ 1996г.

Ученый секретарь диссертационного Совета Д7072.05.03

доцент, кандидат технических наук Шемаханов М.М.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Современный этап развития Гражданской авиации характеризуется возрастанием ее роли в народном хозяйстве страны, постоянным ростом интенсивности и плотности воздушного движения, рас-иирением диапазонов полета воздушных судов (ВС). В этих условиях все большую роль играет требование обеспечения безопасности воздушного движения при сохранении высокого уровня экономичности полетов- При этом все возрастающую роль, в особенности для обеспечения полетов на зоздушных линиях, мало оснащенных средствами УВД, пролегающих в малонаселенных районах Сибири и Крайнего Севера, ~приобретают частично или полностью автоматизированные навигационные комплексы, включающие в :ебя высокоточные бортовые радиотехнические средства трассовой навигации, (позиционные корректоры), в частности, приемоиндикаторы спутнико-эых радионавигационных систем (СРНС) типа "Навстар" и "Глонасс".

Стремление обеспечить полеты ВС в экономически выгодных режимах, го-есть по ортодромическим траекториям и на оптимальных для каждого типа ВС эшелонах, приводит к повышению плотности воздушного движения, (то вызывает необходимость сокращения воздушных коридоров. При этом требования безопасности воздушного движения и экономичности полетов ВС (ступают в определенное противоречие.

Совершенстование бортовых средств навигации и повышение их точности позволяет в автоматическом режиме ( так называемом режиме авто-(атического зависимого наблюдения) или по запросу диспетчера УВД осу-«ествлять цифровую передачу в центр УВД данных о местоположении ВС ли->о об отклонении действительного местоположения ВС от текущего плана 1ри пролете контрольных пунктов.

При этом имеет место использование бортовых средств навигации в (роцессе решения задач оперативного УВД, включающих в себя процессы екущего планирования, управления по траектории текущего плана и управления с экстраполяцией.

Дальнейшим шагом в направлении расширения Функциональных возмож— юстей высокоточных средств трассовой навигации является создание с ^пользованием их бесконфликтных пространственно-временных траекторий I районах аэродромов в связи с внедрением аэродромных автоматизированных систем УВД (АС УВД). Применение таких "жестких" траекторий при злете и заходе на посадку позволяет максимально использовать пропуск-

ну» способность взлетно-посадочной полосы <ВПП) при одновременно обеспечении высоких показателей безопасности полетов.

Высокие потенциальные возможности точного местоопределенпя, оеес печиваемые использованием высокоточных средств трассовой навигации в первую очередь приемоиндикаторов СРНС, делает актуальным исследова ние возможности использования их при применении авиации в народном хо зяйстве (ПАНХ), а именно! при проведении специальных работ, связанны с необходимостью точного местоопределенпя, таких как топогеодезически и поиско-спасательные работы, пожаротушение н др.

При этом следует иметь в виду, что при нетрадиционном использова нии высокоточных средств трассовой навигации для целей захода ВС н посадку и при ПАНХ они должны Функционировать в особых условиях экс плуатации, а именно: при малых высотах полета, вблизи подстилакниг* ■ верхности, оказывающей существенное влияние на точность местоол»-!-^ ния. Поэтому необходимо исследование механизма этого влияния и ег степень. Кроме того, поскольку при использовании средств трассовой на вигации для обеспечения захода ВС на посадку и при ПАНХ речь идет точностях, близких к потенциально возможным, необходим учет влияни таких эксплуатационных Факторов, как переотражение сигнала от элемен тов конструкции ВС, которыми при традиционном использовании средст трассовой навигации можно пренебречь.

Наконец, специфическими для СРНС являются исследованные в диссер тации ограничения на геометрию системы, связанные с затенением спутну ков горными образованиями.

Таким образом, из проведенного анализа можно сделать вывод об ак туальности и целесообразности проведения исследований по теме диссер тации.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ. С учетом приведенного выи обоснования актуальности проблемы целью работы является расширен!/ Функциональных возможностей высокоточных средств трассовой навигг ции путем использования их для захода на посадку воздушных судов и ре тения народно-хозяйственных задач, связанных с необходимостью точног местоопределения.

Для достижения поставленной цели необходимо было решение следуй тих задач!

1.

Анализ Факторов, влияющих на точностные и динамические харак

ристики приемоиндикаторов СРНС при малых высотах полета ВС.

2. Разработка модели помех приемоиндикатором СРНС при малых высох полета ВС за счет переотражений от подстилающих поверхностей с эпичными характеристиками.

3. Анализ влияния мешающих воздействий от подстилающей поверхнос— на точностные и динамические характеристики приемоиндикаторов СРНС.

4. Анализ влияния гористой местности на качество Функционирования иемоиндикаторов СРНС.

5. Анализ влияния несущего винта и других элементов конструкции качество Функционирование приемоиндикатора СРНС, размещаемого на

ртолете.

6. Разработка методов совершенствования обработки сигналов в при-оиндикаторе СРНС для улучшения его точности и динамических характе-стик при малых высотах полета ВС.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ. Научная новизна диссертационной работы стоит в том, что в ней впервые проведен системный анализ особеннос-й Функционирования высокоточных средств трассовой навигации в обых условиях эксплуатации - при малых высотах полета ВС и теорети-ски обоснована возможность использования их для решения.задач захода посадку и для решения народно-хозяйственных задач, связанных с неходимостью высокоточного местоопределения на малых высотах, в част-сти, задач топогеодезии, поиска и спасения, пожаротушения и др.

Разработанные в диссертации теоретические положения содержат спеющие основные научные результаты:

- разработаны модели влияния подстилающей поверхности с различны— характеристиками (холмистой местности, лесных покровов различных

дов) на качество функционирования приемоиндикатора СРНС при малых ^отах полета!

- разработаны модели влияния параметров движения ВС (высоты и уг— крена) и динамики полета, а также геометрии космического сектора

НС на точность местоопределения при малых высотах полета;

!

- разработана методика влияния элементов конструкции вертолета на чество Функционирования размещаемого на нем приемоиндикатора СРНС!

- разработаны модель учета влияния гористой местности на качество 4кционирования приемоиндикатора СРНС и рекомендации по уменьшению эго влияния.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯI

1. Методы оценки мешающего влияния переотражений от подстилами поверхности с различными характеристиками на точность местоопределен в СРНС.

2. Методы оценки влияния параметров движения и динамики полета на малых высотах на точность местоопределения в СРНС.

3. Метод оценки влияния несущего винта и других элементов контр укции вертолета на качество Функционирования размещаемого на н приемоиндикатора СРНС.

4. Метод оптимизации выбора рабочего созвездия космического се тора СРНС при малых высотах полета ВС.

5. Метод оценки влияния горных образований на качество Функцион рования прпемоиндикаторов СРНС.

6. Методика моделирования комплекса помех приемоиндикаторам СР при малых высотах полета ВС.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ. Полученные в работе результаты позволяют!

1. Расширить Функциональные возможности приемоиндикатора СРЬ используя его помимо оновного назначения - трассовой навигации в у честве резервного средства для захода ВС на посадку, благодаря че

' повышается безопасность на одном из наиболее ответственных этапов г лета.

2. Улучшить экономические показатели при применении авиации в ^ родном хозяйстве (ПАНХ) за счет возможности более широкого использое ния ее для решения задач, связанных с необходимостью точного местос ределения при малых высотах полета ВС, в частности, задач топогео* зии, поиска и спасения, пожаротушения и др.

3. Устанавливать ограничения на допустимые параметры движения г маневрировании ВС, оборудованного приемоиндикатором СРНС, на малых е сотах с учетом влияния их на точностные характеристики приемоиндикат ра.

4. Учитывать влияние несущего винта и других элементов констр; ции на качество Функционирования приемоиндикатора СНРС при размещен его на вертолете.

5. При эксплуатации приемоиндикаторов СРНС на воздушных трассг пролегающих в гористой местности, выбирать воздушные трассы и рабо*

:оэвеэдие космических аппаратов с учетом влияния гор на точность мес-оопределения.

АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ. Материалы диссертации докладывались на |ехкаФедральных семинарах в Московском государственном техническом уни-ерситете в 1995 и 1996 годах.

ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ. Основные результаты диссертационной работы недрены: в Московском конструкторском бюро "КОМПАС" и в НИЛИЦ ВЗЛЕТ", что подтверждено соответствующими актами.

ПУБЛИКАЦИИ. Основные результаты диссертационной работы опублико-аны в пяти печатных работах.

СТРУКТУРА РАБОТЫ, ырех глав, заключения

юваний, и содержит ___

аблпцы.

Диссертационная работа I и списка использованной _ страниц машинописного

:остоит из введения, че-литературы из 29 наиме-текста, 58 рисунков и 3

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Со ведении приведено обоснование актуальности проблемы использо— ания высокоточных средств трассовой навигации для обеспечения захода :а посадку и воздушных судов и при проведении специальных работ, свя-анных с необходимостью точного местоопределения на малых высотах. Формулирована цель исследования, определены методы и средства ее реа-изации. Указаны научная новизна и практическое значение полученных в аботе результатов. Даны сведения об их апробации и внедрении.

Первая глава посвящена анализу Факторов, влияющих на точностные и анемические характеристики спутниковых РНС при малых высотах полета С.

Одним из основных Факторов являются внешние шумы, обусловленные адиоизлучением космических источников, тепловым радиоизлучением ат-гасФеры и излучением земной поверхности. Эти шумы существенно превыша-1Т внутренние шумы современных приемников 1_ — диапазона <1,5 ГГц). Их ринято характеризовать эквивалентной шумовой температурой антенны, |ри этом учитываются направленные свойства антенны, ослабление шумовых игналов от космических источников в атмосфере а такте

- а -

отдельно составляющие шумовой температуры антенны, обусловленные изл> пением дискретных источников радиоизлучения космического сектор= Рассмотрена также зависимость составляющих эффективной шумовой темпе ратуры антенны от характеристик подстилающей поверхности, угла мест КА и параметров движения воздушного судна (высоты полета и угла крен ВС). Исследована зависимость результирующей эквивалентной шумовой тег пературы от угла места космического аппарата (КА). Эти зависимое! свидетельствуют о том, что аддитивные помехи, определяющие потенциаль ную точность местоопределения воздушного судна при полетах на маль высотах, существенно зависят от параметров движения воздушного судна угла места космического аппарата рабочего созвездия, что накладывае ограничения на допустимые значения указанных параметров движения и де лает необходимой оптимизацию состава рабочего созвездия космически аппаратов.

Существенным Фактором, влияющим на точностные характеристики СРП при полетах на малых высотах, является многолучевое распространение з счет переотражений от земной поверхности. Уровень интерференционны помех, обусловленных многолучевым распространением, определяется раз мерами зоны переотражения сигналов, участвующих в Формировании поме на выходе коррелятора. Размеры этой зоны зависят от высоты точки прие ма (уменьшаются с увеличением высоты попета ВС), режима работы (обна рухение-слеженне) и вида кода (пониженной или повышенной точности).

Проанализирована зависимость степени влияния многолучевости о пороговых углов крена и высоты попета ВС. Показано, что эффективны способом уменьшения влияния многолучевости на высокоманевренном низко летящем ВС является выбор КА с относительно большими углами места Поскольку мощность отраженного сигнапа пропорциональна площади зон переотражения, влияние многолучевости проявляется в меньшей степени режиме обнаружения и для кода повышенной точности.

Во второй главе приведены результаты моделирования влияния поде тилающей поверхности на энергетические характеристики сигналов СРНС При анализе влияния характеристик подстилающей поверхности на энерге тические характеристики сигналов СРНС, принимаемых на борту ВС, в ка честве базовой была принята модель шероховатой поверхности, образован ной площадками с линейными размерами, существенно превышающими длин волны (20см) и случайным наклоном. Согласно электродинамической теори рассеяния радиоволн на шероховатой поверхности отраженный сигнал сос тоит из двух компонент - когерентной и некогерентной, однако для боль

|нства реальных поверхностей, с учетом того, что для них среднеквад— [Тическое отклонение высот неровностей существенно больше длины 1лны, когерентной составляющей можно пренебречь и считать, что при-тствует лишь некогерентная (диффузная) составляющая. Основываясь на ;нтральной предельной теореме теории вероятностей, можно показать, о результирующий отраженный от зоны переотражения сигнал может 1ть описан нормальным случайным процессом.

В рамках рассматриваемой стохастической модели переотражений от «ли может быть учтено влияние на уровень указанной помехи характе-. лесных покровов подстилающей поверхности. При этом учет этого влия-|я сводится к определению эффективной нормированной площади рассея-|я. Учет вида кода ( пониженной или повышенной точности) осуществляли путем изменения коэффициента подавления помехи в приемокоррелято-■ в соответствии с корреляционной Функцией кодов.

Лесные покровы характеризуются большим разнообразием, что затруд-|ет описание их в рамках одной электрофизической модели. Так, для 1исания свойств радиосигналов, отраженных от редкого голого лесного крова, использовалась модель Тейка, в ранках которой лес моделирует-в виде длинных тонких диэлектрических стержней с преимущественно ртикальной ориентацией, размещенных случайным образом. Для описания стого лиственного леса использовалась комбинированная крупномасштаб-я и мелкомасштабная модель. Для зимнего леса с кронами, покрытыми 1апкамп" снега, использовалась модель статистических шероховатостей верхности.

Результаты моделирования зависимости отношения сигнал/помеха от ла места КА и высоты полета ОС для режима слежения показали, что наи-льшим уровнем помех характеризуется пересеченная местность, далее едуют хвойный лес, лиственный лес, зимний лес. Наименьшим уровнем мех характеризуется редкий голый лес. Это может быть объяснено тем, о в последнем случае большая часть энергии электромагнитных волн оникает вглубь леса, где она поглощается за счет многократных пере-раженнй. При этом, чем гуще лесной покров, тем меньше степень погло-ния и выше уровень помех, обусловленных переотражениями от Земли.

Уровень помех возрастает с уменьшением высоты полета воздушного дна и угла песта космического аппарата, что связано с уменьшением раженных сигналов и соответственно уменьшением коэффициента подавле-я помехи в приемекорреляторе. Использование кода повышенной точнос-, обладающего более узкой корреляционной Функцией и соответственно

обеспечивающего Большее подавление отраженных сигналов, позволяет зн; ччтельно снизить влияние помех. Так, если для кода пониженной точное" помехи, обусловленные переотражениями от Земли, наиболее сильно прояе ляются на высотах меньших 100 м., то для кода повышенной точности, эт влияние заметно лишь на высотах меньших 10 м.

В третьей главе методами математического моделирования было прс ведено ИССЛвДОВаНИе ТОЧНОСТНЫХ и динамических характеристик приемоие лмклтора СРНС с уметом подстилающей поверхности и других мешающих Фаь

торов.Моделирование проводилось для наиболее неблагоприятного, как

отмечалось, случая безлесной пересеченной местности. Помимо рассмот ренных выше помех типа Флуктуационного шума и помех, обусловленнь многолучевостью, в модели предусмотрена возможность учета влияния н уровень сигнала несущего винта вертолета при размещении на нем приеме индикатора СРНС.

На степень ухудшения точности местоопределения, обусловленног переотражениями сигнала от Земли, наряду с высотой полета существеннс влияние оказывает угол крена ВС и угол места КА. Анализ показал, чте если ограничить допустимый угол крена в сторону КА десятью градусам!/ то при угле места КА равном двадцати градусам многолучевость можно i-учитывать на высотах более 700 м., а при угле места равном сорока пят градусам на высотах более 100м. Отсюда следует, что эффективным спосс бом защиты от помех, обусловленных многолучевостью распространении является выбор рабочего созвездия с большими углами места КА.

Существенное значение, особенно на ответственном этапе захода Е на посадку, имеет время поиска КА, определяющее время получения перве отсчета. В приемоиндикаторе СРНС "Г710НАСС" поиск КА производится с ь пользованием двухпорогового обнаружителя, реализующего последовательный алгоритм Вальда. При этом анализ характеристик обнаружения, пол) ченных при Фиксированной вероятности ложной тревоги Р„т= 10~в и ииеюи обычно место на практике соотношении сигнал/шум не менее 3, показал, что вероятность правильного обнаружения сигнала КА достаточно выс <Р„„=0,9<?) .

Для выявления зависимости времени обнаружения от параметров дви жения ВС анализ был .проведен без учета влияния подстилающей поверхнос ти, то есть для высот полета, на которых этим влиянием можно пре небречь. Результаты анализа показывают, что при горизонтальном полете при угле места приблизительно 15 градусов время поиска одного сигна* не превышает 30 с. При крене в сторону КА 30 градусов время поиск« уменьшается вдвое.

акое же уменьшение времени поиска имеет место и при увеличении угла еста КА до 30-40 градусов. Отсюда можно заключить, что также, как и

точки зрения минимизации погрешности местоопределения для обеспе-ения минимума времени получения первого отсчета на ответственных уча-тках полета следует выбирать КА с большими углами места. При манев-ировании целесообразно выбирать КА, в сторону которых осуществляется рен.

Было проанализированно также влияние динамики полета ПС на точ-остные характеристики приемоиндикатора СРНС. По результатам моделиро-ания можно сделать вывод о том, что маневрирование незначительно ска— ывается на точности местоопределения. При движении с ускорением нез-ачительное ухудшение точностных характеристик имеет место для случая, огда перегрузка в течение 20 с. не превышает 10 д. Срыв слежения нас-упает при перегрузке порядка 15 д. При движении по кругу с заданной коростью работоспособность сохраняется до перегрузки приблизительно 0-30 д.

Наряду с рассмотренными выше Факторами на точность местоопреде— гния ВС оказывают влияние погрешности, обусловленные космическим сек-эром. В частности, дополнительная погрешность связана с неконпенсиро— энными тропосферной и ионосферной задержками сигнала, а также неточным =огноэированием эфемерид КА и другими Факторами возмущенного движения А, нестабильностью эталона времени и др.

Кроме того, на точность местоопределения ВС влияет геометрия ра— эчего созвездия, учитываемая в процессе вторичной обработки, включаю-в себя процедуру преобразования координат. В работе был предложен качестве критерия оптимизации выбора рабочего созвездия - критерий лнимума усовершенствованного геометрического Фактора, учитывающего аличие систематических погрешностей и неравноточность измерений.

Результаты моделирования точностных характеристик приемоиндикато-а СРНС, полученные с учетом вторичной обработки сигналов и системных эгрешностей космического сектора показали, что при малых высотах поэта ВС помехи за счет переотражений существенно снижают точность 5стоопределения координат и скорости ВС. Так, при уменьшении высоты элета с двух километров до нуля при коде пониженной точности, сред-?квадратическая и систематическая погрешности местоопределения ВС в 'ехмерном пространстве увеличиваются соответственно в 2 и 3,5 раза, а =еднеквадратическая погрешность измерения скорости - в 2,5 раза. При гом погрешность измерения высоты примерно в два раза превышает пог-

решность измерения составляющих координат в горизонтальной плоскости.

Эксплуатация СРНС при полетах ВС по воздушным трассам, пролегающим в гористой местности, имеет ряд особенностей. К их числу относятс5 экранирование горными препятствиями прямых сигналов на линии КА - ВС i/ наличие дифракционных волн, огибающих горные препятствия. В работе, методами математического моделирования, проводилось исследование влияния гористой местности на качество Функционирования приемоиндикатора СРНС.

Моделирование горной структуры проводилось на примере высокогор-

1

ного района Большого Кавказа методом моделирования отдельных горных хребтов с последующим наложением.

Из полученных в результате моделирования гистограмм распределение числа видимых КА из двадцати четырех, размещенных на трех орбитах, можно заключить, что с уменьшением высоты полета вероятность затенение увеличивается (КА читается затененным, если уровень его сигнала умень шается в 10 раз.) При этом вероятность того, что минимальное число видимых КА будет меньше минимального необходимо для решения навнгацпоннс задачи числа с уменьшением высоты возрастает. Для обеспечения же доста точно малой вероятности нерешения навигационной задачи (Ю-3) необходима высота полета не менее 4 км.

Влияние гористой местности проявляется также в увеличении примерно в 1,2 — 1,5 раза среднего значения геометрического Фактора при малых высотах полета, соответственно во столько же раз ухудшается в среднем точность местоопределения. Это связано с достаточно большой вероятностью затенения хотя бы одного КА из оптимального созвездия.

Проведение ряда специальных работ, таких как тушение лесных пожаров, ледовая разведка, топогеодезические и поисково-спасательные работы и др. связано с необходимостью точного местоопределения на малых высотах. При использовании для этой цели приемоиндикатора СРНС возни кает проблема оценки влияния на качество функционирования несущего вин та вертолета и других его элементовконструкции. При этом влияние несущего винта проявляется как в экранирующем действии, так и в возникновении дифракционной сигналоподобной помехи. Эта помеха обуслаеливается дифракцией на несущем винте и других элементах конструкции.

Проведенный анализ показал, что основное влияние на качество Функционирования оказывает дифракция на несущем винте первичного сигнала от КА, вклад же переизлученных от других элементов конструкции не превышает по уровню десяти процентов. Наряду с изменением уровня сиг-

|апа под воздействием несущего винта в результате интерференции перинного и дифракционного лучей возникает изменение Фазы результирующе-о сигнала. При этом с увеличением угла места КА влияние несущего вина усиливается. Так, при углах места КА свыше 45 градусов на высотах выше 400 м., когда влияние подстилающей поверхности относительно неелико, среднеквадратическая ошибка измерения псевдодальности за счет лияния несущего винта увеличивается примерно в 2,6 раза. При малых глах места КА С 20") увеличение ошибки не превышает 1,3 раза. При том ухудшение точности происходит главным образом за счет экранирую-его действия винта. Увеличение крена ВС в сторону КА приводит к уве-ичению экранирующего действия винта. Так, при угле крена ВС 30 " и гле места КА 20 ** на высотах свыше 400 м. ошибка за счет несущего инта увеличивается в 1.8 раза. При малых высотах влияние на результи-уннцую точность уменьшается из-за преобладающего влияния подстилающей оверхности.

Кроме ухудшения точности местоопределения влияние несущего винта появляется □ узсличении вероятности ошибочного приема при передаче лутебной информации. При этом, поскольку, используется Фазовое коди-□ванно, наряду с экранирующим действием винта имеет значение вызван-ая им паразитная Фазовая модуляция сигнала. Анализ показывает, что отя и происходит заметное увеличение (на несколько порядков) ошибки, днако в силу того, что отношение сигнал/шум достаточно велико ( по-ядка 5,5 и 17 при углах места КА соответственно 20 " и 90 °) вероят-эсть ошибки остается достаточно малой, порядка 10 на бит инФоРма-ли.

В четвертой главе рассмотрены методы улучшения точностных и дина-лческих характеристик приемоиндикаторов СРНС.

Одним из путей увеличения точности местоопределения ВС является тгимизация выбора рабочего созвездия КА с учетом влияния подстилающей эверхности и несущего винта при размещении приемоиндикатора на вер-элете. При этом накладывается ограничение на допустимый минимальный -ол места КД. Варьируя минимальным углом места, можно обеспечить ми-лмум погрешности местоопределения ВС. Анализ показывает, что при уг-ах места 70 ° в большом диапазоне высот полета оптимальным является .1бор минимального угла места около 12 - 14 Максимальный угол места учетом влияния несущего винта следует ограничивать величиной порядка

)

Вместе с тем следует иметь в виду то, что снижение минимального

угла места из соображений уменьшения влияния несущего винта вертолет; увеличивает вероятность нерешения навигационной задачи из-за отсутствия в зоне видимости созвездия из четырех КА.

Кроне того, в четвертой главе рассмотрены вопросы улудшения характеристик приемоиндикатора СРНС за счет комплексирования его с инер-циальной навигационной системой <ИНС). Анализ эффективности таког< комплексирования проводится путем моделирования. Как показал анализ, 1 результате комплексирования для кода пониженной точности точность измерений увеличивается примерно в 3 раза при отсутствии перегрузки i более чем в 6 раз при перегрузке в 10 д в течение 20с.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации решается имеющая важное народно-хозяйственное значение научная проблема расширения Функциональных возможностей высоко точных средств трассовой навигации путем использования их для заход ВС на посадку и решения народно-хозяйственных задач, связанных с необ ходимостью точного местоопределения на малых высотах, в частности, за дач топогеодезии, пожаротушения, поисково-спасательных работ и др.

Основные научные результаты, полученные в диссертации, сводятся I следующим!

1. Разработана модель влияния переотражений от подстилающей по верхности с различными характеристиками ( холмистой местности, лесны покровов различных видов) на точностные характеристики приемоиндикато ра спутниковых радионавигационных систем, размещаемого на борту ВС.

2. Разработана модель влияния параметров движения ВС ( высоты угла крена) на помехоустойчивость приемоиндикатора СРНС по отношению переотражениям от подстилающей поверхности и определены пороговые зна чения угла крена ВС с точки зрения допустимого влияния подстилающе поверхности на точность местоопределения при полетах на малых высотах

3. Разработана модель учета влияния геометрии системы на точност ные характеристики приемоиндикатора СРНС в условиях переотражений о подстилающей поверхности и выработаны рекомендации по выбору рабочег сохвездия космических аппаратов при малых высотах полета ВС.

4. Разработана модель учета влияния на точностные характеристик приемоиндикатора СРНС динамики полета ВС по наиболее часто встречаю цимся траекториям и проведен анализ эффективности комплексирования пр

емоиндикатора СРНС с инерциальной навигационной системой.

Разработана методика учета влияния несущего винта и других элементов конструкции вертолета при размещении на нем приемоиндикатора СРНС на точность местоопределения и достоверность приема информационных сообщений и выработаны Рекомендации по уменьшению этого влияния.

Разработаны методика учета влияния гористой местности на качество Функционирования приемоиндикатора СРНС и рекомендации по уменьшению этого влияния.

На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы:

1. При малых высотах полета ВС помехи за счет переотражений существенно снижают точность определения координат и скорости ВС с использованием СРНС. Так, при уменьшении высоты полета с 2 до О км в режиме пониженной точности среднеквадратическая и систематическая погрешности местоопределения ВС в трехмерном пространстве увеличиваются соответственно в 2 и 3,5 раза, среднеквадратическая погрешность измерения скорости - в 2,5 раза. При этом, если для режиКа пониженной точности помехи, обусловленные переотражениями от подстилающей поверхности, наиболее сильно влияют на точностные характеристики приемоиндикатора на высотах меньших 100м. то для режима высокой точности это влияние заметно лишь на высотах меньших 10 м.

2. Уровень помех за счет многолучевого распространения радиоволн вблизи подстилающей поверхности существенно зависит от характера последней. При этом в порядке уменьшения уровня помех от подстилающей поверхности они располагаются в следующем порядке! пересеченная местность, хвойный лес, голый лес с кустарниками, лиственный лес, лес со снежными "шапками", голый редкий лес.

3. На степень ухудшения точности местоопределения, обусловленного переотражениями от подстилающей поверхности, наряду с высотой полета оказывает существенное влияние угол крена ВС и угол места КА. При этом, если ограничить допустимый угол крена в сторону КА величиной Ю ■», то при угле места КА 25 " многолучевость можно не учитывать при высотах полета более 700 м, а при угле места КА 45 ° - при высоте полета более 100м. Отсюда следует, что эффективным способом защиты от помех многолучевого распространения при малых высотах полета является выбор рабочего созвездия с большими углами места КА.

4. При установке приемоиндикатора СРНС на вертолете наряду с ограничениями на минимальный угол места КА связанным с влиянием на точность местоопределения подстилающей поверхности, необходимо введение ограничения на максимальный угол места КА, связанный с влиянием на точность местоопределения несущего винта. Введение ограничений на допустимый угол места КА увеличивает вероятность нерешения навигационной задачи, обусловленной отсутствием в рабочей зоне минимально необходимого КА, равного 4. При этом, принимая в качестве допустимой вероятности нерешения навигационной задачи величину Ю-*, при ln =10 " приемлемым следует считать t«„> 63 " , л при iir. = 15 ° соответственно £.„ > во

5. Экранирующее действие несущего винта вертолета наряду с влиянием на точность местоопределения в принципе может проявляться в снижении достоверности информационных сообщений в СРНС. Однако в действительности это влияние незначительно. Так, вероятность ошибки, вызванной влиянием несущего винта, не превышает 10~т при произвольных углах места КА.

6. Наряду с несущим винтом на качество работы приемоиндикатора СРНС, размещаемого на вертолете, оказывают влияние мешающие сигналы за счет переотражений от элементов конструкции вертолета. Однако, как правило, уровень этих сигналов не превышает -20 дБ по отношению к уровню первичного сигнала от КА. Существенный уровень дифракционных ролн (-5 дБ) имеет место лишь при движении вертолета по курсу в направлении на КА, откуда следует, что при высокоточных измерениях координат такого курса следует избегать.

7. Наиболее неблагоприятной с точки зрения точностных характеристик приемоиндикатора СРНС является траектория движения ВС по линии КА -ВС с постоянным ускорением. При этом при перегрузке в 10 g в течение 20 с имеет место снижение точности местоопределения на 20 процентов, а при перегрузке в 15 g - срыв работы приемоиндикатора. При движении же по кругу с заданной скоростью работоспособность приемоиндикатора сохраняется при перегрузке в 20 - 30 д. Эффективным средством улучшения динамических характеристик приемоиндикатора СРНС является комплексиро-вание его с инерциальными навигационными системами.

В. При эксплуатации приемоиндикатора СРНС на воздушных трассах, пролегающих в гористой местности, при малой высоте полета не реализуются потенциальные возможности приемоиндикатора по выбору оптимального созвездия, что снижает в 1,2 - 1,5 раза точность местоопределения и с

высокой вероятностью может иметь место нарушение работоспособности иэ-эа невозможности выбирать четыре незатененных горными препятствиями КА.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Лебедев И.М. Характеристики внешних помех приемоиндикатором СРНС, размещаемым на ВС.

Сборник трудов МГТУ ГА. - М.: МГТУ ГА, 1996г.

2. Лебедев И.М., Рубцов В.Д. Влияние подстилающей поверхности на структуру поля сигналов СРНС, принимаемых на борту ВС.

Сборник ТРУДОВ МГТУ ГА. - М. ! МГТУ ГА, 1996г.

3. Лебедев И.М. Моделирование помех приемоиндикатором СРНС, размещаемым на ВС, осуществляющих полеты на малых высотах.

Сборник трудов МГТУ ГА. - М.: МГТУ ГА, 1996г.

4. Лебедев И.М., Рубцов В.Д. Влияние гористой местности на качество Функционирования приемоиндикатора СРНС.

Сборник трудов МГТУ ГА. - М.! МГТУ ГА, 1996г.

5. Лебедев И.М., Рубцов В.Д. Методы улучшения точностных и динамически характеристик приемоиндикаторов СРНС, размещаемых на высокоманевренных ВС, осуществляющих полеты на малых высотах.

Сборник трудов МГТУ ГА. - М.: МГТУ ГА, 1996г.

СОИСКАТЕЛЬ!

ЛЕБЕДЕВ И.М.