автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.14, диссертация на тему:Исследование и разработка методов обнаружения и коррекции скачков фазовых измерений в системе инструментальной посадки латательных аппаратов с использованием ГНСС

На правах рукописи

Чистякова Светлана Сергеевна

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОБНАРУЖЕНИЯ И КОРРЕКЦИИ СКАЧКОВ ФАЗОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ В СИСТЕМЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ ПОСАДКИ ЛАТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЛОБАЛЬНОЙ НАВИГАЦИОННОЙ ■ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ

05.12.14 - Радиолокация и радионавигация

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 ДЕН

Санкт-Петербург 2008

003457344

Диссертация выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Юрий Семенович Юрченко

Официальные оппоненты: доктор технических наук, старший

научный сотрудник Наталия Вячеславовна Иванцевич

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Виталий Семенович Гутин

Ведущая организация: ОАО «Российский институт

радионавигации и времени»

/. ее

Защита состоится «24» декабря 2008г. в /г часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.238.03 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова(Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан '¡¿/" ноября 2008 г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций

Баруздин С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Спутниковые навигационные системы находят широкое применение во всех отраслях человеческой деятельности, в том числе и в авиации. Устоявшейся практикой является применение спутниковой навигации на этапе крейсерского полёта, когда требования к точности работы навигационной системы не столь высоки, как при маневрировании в зоне аэродрома и заходе на посадку. Новым этапом использования спутниковых навигационных систем является автоматизация захода на посадку с их помощью.

В настоящее время для обеспечения посадки воздушных судов гражданской авиации преимущественно используются специализированные радиотехнические инструментальные системы посадки метрового диапазона радиоволн типа ILS и сантиметрового диапазона - типа MLS.

Общими недостатками таких систем являются: высокая стоимость системы и последующие эксплуатационные расходы; необходимость сложной инженерной подготовки местности в районе установки наземных радиомаяков; обслуживание одним комплектом наземного оборудования только одного направления взлетно-посадочной полосы.

Современная концепция технической модернизации средств навигации на период с 2006 по 2015 гг., предлагаемая Федеральной службой воздушного транспорта России, предполагает постепенный переход к использованию глобальной навигационной спутниковой системы в качестве основного средства на всех этапах полета вплоть до автоматического захода на посадку летательного аппарата. Для удовлетворения требований Международной Организации Гражданской Авиации (ICAO) к системе спутниковой посадки 1-ой категории необходимо использовать наземные системы функционального дополнения глобальной навигационной спутниковой системы на базе локальных контрольно-корректирующих станций.

Применение глобальной навигационной спутниковой системы с локальными контрольно-корректирующими станциями позволит снизить затраты на обслуживание воздушного движения за счет замены разнотипного оборудования едиными средствами обеспечения всех этапов полета летательного аппарата, включая категорированный заход на посадку. Поскольку эффективная дальность действия

локальной контрольно-корректирующей станции составляет десятки километров, то одна станция позволяет обслуживать все взлетно-посадочные полосы аэродрома.

К настоящему времени в РФ из более чем 1000 аэродромов, находящихся в эксплуатации в гражданской авиации, лишь около 70 оснащены радиотехническими системами инструментальной посадки. Относительно невысокая стоимость бортового оборудования глобальной навигационной спутниковой системы и наземного оборудования локальной контрольно-корректирующей станции позволит эффективно решить задачу оснащения аэродромов. При заходе летательного аппарата на посадку по I категории 1САО к бортовому навигационному оборудованию летательного аппарата предъявляется ряд требований, в том числе:

-точность определения местоположения летательного аппарата должна быть не хуже 16 м (95%) в горизонтальной плоскости и 6 м (95%) в вертикальной;

- вероятность отсутствия предупреждения о недопустимом снижении точности за время посадки (риск потери целостности) должна быть не более 2-1 (Г7 за время посадки.

Требуемая точность определения местоположения летательного аппарата может быть достигнута в дифференциальном режиме работы бортового оборудования глобальной навигационной спутниковой системы при получении дифференциальных данных по радиоканалу от локальной контрольно-корректирующей станции, установленной в районе аэродрома. С целью уменьшения случайных ошибок, возникающих в кодовых каналах измерения псевдодальностей в наземном и бортовом оборудовании, авиационные требования предписывают объединять их с фазовыми измерениями псевдодальностей. Однако, фазовые измерения псевдодальностей содержат скачки, возникающие при срывах в схеме слежения за несущей в приемоизмерителе. Скачки фазовых измерений способны значительно ухудшить результат определения местоположения летательного аппарата. Поэтому необходимо разработать и исследовать методы обнаружения и коррекции скачков фазовых измерений в системе инструментальной посадки летательных аппаратов с использованием глобальной навигационной спутниковой системы.

Цель работы. Разработка и исследование алгоритмов обнаружения и коррекции скачков фазовых измерений псевдодальностей в бортовых и наземных

приемоизмерителях сигналов глобальной навигационной спутниковой системы для системы спутниковой посадки летательных аппаратов.

Основные методы исследования. Для решения поставленной задачи применялись методы статистической радиотехники и статистической теории радионавигации, математического и статистического моделирования. Экспериментальные исследования выполнены методом полунатурного и натурного моделирования с использованием записей реальных сигналов навигационных приемоизмерителей в глобальной навигационной спутниковой системы.

Научная новизна состоит в разработке метода обнаружения скачков фазовых измерений, основанного на отказоустойчивой фильтрации, и разработке метода коррекции скачков фазовых измерений пригодных для обнаружения и коррекции одиночных и совместных скачков фазовых измерений псевдодальностей наземного и бортового приемоизмерителей сигналов глобальной 1ивигащюшой спутниковой системы

Основные положения, выносимые на защиту: -Алгоритм обнаружения одиночных и совместных скачков фазовых измерений псевдодальностей в наземной многоканальной аппаратуре глобальной навигационной спутниковой системы при использовании её в спутниковой системе посадки летательных аппаратов.

-Алгоритм обнаружения скачков фазовых измерений псевдодальностей в бортовом оборудовании глобальной навигационной спутниковой системы летательного аппарата при решении задачи спутниковой посадки летательных аппаратов с использованием данных инерциальной навигационной системы. -Алгоритм компенсации скачков фазовых измерений псевдодальности для наземной и бортовой аппаратуры спутниковой системы посадки летательных аппаратов с использованием глобальной навигационной спутниковой системы. -Способ посадки летательных аппаратов с использованием глобальной навигационной спутниковой системы для системы спутниковой посадки с коррекцией скачков фазовых измерений псевдодальностей спутниковых приемоизмерителей.

Практическая ценность работы состоит в решении задачи повышения точности определения местоположения летательного аппарата по сигналам глобальной навигационной спутниковой системы, и как следствие, точности формирования данных для наведения На точный заход На посадку Б раГнКаХ

требований к системам посадки I категории ICAO. Разработанные алгоритмы реализованы в программном обеспечении, используемом в полунатурных стендах наземного и бортового оборудования спутниковой системы посадки летательных аппаратов.

Достоверность результатов работы подтверждается аналитическими расчетами, данными полунатурного и натурного моделирования.

Внедрение результатов работы осуществлено ЗАО «ВНИИРА-Навигатор» (г. Санкт-Петербург) при разработке наземного и бортового оборудования спутниковой системы посадки, предназначенного для повышения безопасности посадки летательных аппаратов на аэродромах, оборудованных локальными контрольно-корректирующими станциями.

Апробация работы Основные положения диссертационной работы представлялись и обсуждались на:

- юбилейной 60-й научно-технической конференции, посвященной Дню радио, С.-Петербург, СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2005 г.;

61-й научно-технической конференции, посвященной Дню радио, С.-Петербург, СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2006 г.;

62-й научно-технической конференции, посвященной Дню радио, С.-Петербург, СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2007 г.;

- 9-й конференции молодых ученых "Навигация и управление движением", СПб, ГНЦЦНИИ «Электроприбор», 2007 г.

- научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2006 - 2008 гг.

Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 5 работах, среди которых 2 статьи в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, а также материалы 3 докладов научно-технических конференций, перечисленных в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав с выводами и практическими рекомендациями, заключения, изложена на 138 страницах, в том числе 85 страницах машинописного текста, включает 74 рисунков, 3 таблицы, и содержит список литературы из 44 наименований, среди которых 26 - отечественных и 18 - иностранных авторов.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определено направление исследований, обоснована их актуальность, сформулирована цель диссертационной работы, отмечена её практическая значимость.

Объектом исследования является наземное и бортовое навигационное оборудование, работающее по сигналам глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС). Текущие координаты летательного аппарата (ЛА) определяются по ориентации относительно нескольких навигационных спутников с известными координатами. Для этого производят прием сигналов спутников с помощью бортового приемоизмериеля (ПИ) и определяют бортовые псевдодальности. Одновременно с помощью наземного ПИ производят прием сигналов спутников на локальной контрольно-корректирующей станции (ЛККС) с известным местоположением и определяют наземные псевдодальности. Оценивают ошибки измерения псевдодальностей и транслируют их на борт ЛА через линию передачи данных в виде дифференциальных поправок к псевдодальностям. Учет дифференциальных поправок на борту при решении навигационной задачи позволяет повысить точность определения местоположения ЛА.

С целью уменьшения случайных ошибок, возникающих в канале измерения псевдодальности как бортового, так и наземных ПИ, в соответствии с авиационными требованиями 1САО и квалификационными требованиями (КТ) Межгосударственного Авиационного Комитета, выполняется объединение кодовых и фазовых измерений псевдодальностей с помощью алгоритма, который может быть записан в следующем виде:

где: РЯ^{к) - уточненная псевдодальность, РЕ1 (к) - кодовое измерение, АР,(к) -

разность фазовых измерений на текущем к и предыдущем ¿-1 временном шаге, г = 1,2,...М - индекс спутника из наблюдаемого созвездия размером М, В - весовой коэффициент фильтра, к = 1,2,... - дискретное время. Весовой коэффициент фильтра В определяется постоянной времени фильтра Тг (для бортового и наземного оборудования в системах спутниковой посадки Гу = 100 с) и интервалом временной

РЯи(к) = РК{л{к -1) + Щ(к)+ В(РЯ1 (к) - РЯг,(к -1)~ АР, (к)) ДОД^ф-РД*-!)

, (1)

дискретизации 7^: В = / Ту. Использование алгоритма (1) основано на том, что случайные ошибки фазовых измерений намного меньше, чем ошибки псевдодальномерных измерений. На эквивалентной схеме алгоритма, приведенной на рис. 1 видно, что измерения псевдодальности РЩ(к)подвергаются низкочастотной фильтрации в ЯС-фильтре.

В то же время быстрые флюктуации фазовых измерений Р^к) проходят на выход фильтра без ослабления. При нормальной работе в ПИ схемы слежения за несущей случайные фазовые ошибки не могут существенно повлиять на точность формирования величины РЯу¡(к). Однако скачки фазовых измерений при срывах

слежения передаются на выход РЯ/¿(к) без ослабления и создают переходный

процесс экспоненциальной формы с постоянной времени 100 с. Этот дефект затем передается в кодовую коррекцию и уточненное измерение псевдодальности, используемое при определении координат ЛА.

Первая глава посвящена исследованию влияния скачков фазовых измерений псевдодальностей на оценку вектора координат ЛА.

В системе спутниковой навигации используют итерационные методы решения навигационной задачи, основанные на статистической обработке избыточного числа измерений, что позволяет сглаживать случайные составляющие погрешности измерений. При этом для решения навигационной задачи обычно используется метод наименьших квадратов (МНК).

Алгоритм формирования оценки вектора координат с применением кодово-фазового фильтра и МНК приведен на рис. 2. Кодовые РКт 1 и фазовые /' измерения для /-го спутника поступают на входы фильтров Ф, работающих в

Я

Рис. 1 Эквивалентная схема кодо-фазового фильтра

соответствии с алгоритмом (1). На выходе Ф получают фильтрованные псевдодальности РЯ/,, принимающие участие в решении навигационной задачи -

формировании оценки вектора координатно-временного параметра X = {х, уЛЛ } •

Рис. 2 Блок схема алгоритма формирования оценки вектора координатно-временного параметра в спутниковом ПИ

Особенностью алгоритма МНК является то, что по отношению к скачкам фазовых измерений, он является усилителем с коэффициентом передачи, который, в конце итерационного цикла, может принимать значение больше единицы.

Проведенные исследования показывают, что наибольшее значение коэффициента передачи фазового скачка наблюдается при скачке фазового измерения у спутника с большим углом места и при малом числе наблюдаемых спутников, а также при плохом геометрическом факторе. Например, при моделировании задачи с пятью спутниками и пространственным геометрическим фактором 5,2 наблюдался коэффициент передачи скачка фазового измерения 3,7 при определении высоты. В этом случае при скачке фазового измерения в 2 м ошибка определения высоты составит 3,7-2=7,4 м, что недопустимо в системе спутниковой посадки ЛА.

Во второй главе рассмотрены возможные причины возникновения скачков фазовых измерений псевдодальностей и предложено классифицировать скачки по причине их возникновения.

Одной из возможных причин появления скачков фазовых измерений псевдодалыюстсй могут быть перескоки рабочей точки дискриминационной характеристики системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) вследствие влияния шумов радиоканала. В работе выполнен расчет теоретической вероятности

появления перескоков рабочей точки дискриминационной характеристики для различных шумовых полос системы ФАПЧ второго порядка. При работе с сигналами спутников, отношение сигнал/шум которых выше 30 дБГц (значение, рекомендуемое авиационными стандартами ICAO и КТ для режима посадки), вероятность перескоков рабочей точки дискриминационной характеристики за время посадки (150 сек) составляет: 2-Ю"9 для системы ФАПЧ с шумовой полосой 5 Гц, 8-Ю"8 для системы ФАПЧ с шумовой полосой 50 Гц. В работе сделан вывод, что такие величины вероятностей не могут привести к существенным ухудшениям при работе со спутниковыми сигналами, отношение сигнал/шум которых выше 30 дБГц.

Проведенное экспериментальное исследование выявило возможность появления эффектов радиоинтерференции и срывов слежения системы ФАПЧ в бортовом спутников ом ПИ при работе мощных бортовых импульсных передатчиков дальномерного канала радиотехнической системы ближней навигации (РСБН) или бортовго ответчика системы вторичной локации, если излучаются сигналы вблизи половины центральной частоты диапазона L1. Работоспособность спутникового ПИ оценивалась по качеству формирования координат (X,Y,Z) в геодезической прямоугольной системе координат (ECEF). Так, например, на рис.3 приведены измеренные ПИ ГНСС координаты (X,Y,Z) при работе аппаратуры РСБН. ПИ сохранял свою работоспособность при работающем вблизи передатчике аппаратуры РСБН, однако его точностные характеристики ухудшились.

Для сравнения на рис.4 представлены оценки ECEF-координат, полученные тем же ПИ ГНСС, в отсутствии работающего вблизи мощного передатчика аппаратуры РСБН. Из рис. 4 видно, что оценки плановых координат (X и Y) флюктуируют в пределах 1-2 метров, а координаты Z - в пределах 2-4 метров.

Скачки фазовых измерений наблюдаются также из-за аппаратно - программных ограничений при реализации ПИ ГНСС. Система слежения за задержкой кода в ПИ ГНСС оценивает временное запаздывание в пределах миллисекунды (длительность открытого кода С/А). При переключении схемы слежения к другой миллисекунде возможно появление сбоя. Эффект появления сбоя иллюстрируется на рис. 5 поведением сдвига временных шкал ПИ и ГНСС, (показаны измерения по 5 спутникам). Размах «пилы» равен 1мс, а наклон «пилы» определяется скоростью ухода фазы напряжения кварцевого генератора и различается у разных образцов ПИ.

Рис. 3 Временная зависимость измеренных ПИ ГНСС координат (Х,У,2) при работе передатчика аппаратуры РСБН

к.с

Рис. 4 Временная зависимость измеренных ПИ ГНСС координат (Х,У,'Л) в отсутствии передатчика аппаратуры РСБН

Момент обратного хода «пилы» во многих моделях ПИ сопровождается скачками фазовых измерений, передающимися в первую разность фазовой поправки. Эти сбои фазы не зависят от отношения сигнал/шум и не контролируются монитором целостности, рекомендуемым стандартом 1САО. В среднем, среди наблюдаемых ПИ период появления сбоя составлял величину ~ 1800 сек. Вероятность появления такого сбоя при решении задачи посадки (за 150 секунд) в среднем среди наблюдаемых ПИ составляет ~ 0,08, что значительно превышает предъявляемый нормами целостности

риск неконтролируемого сбоя (2 • 10~7) в системе спутниковой посадки ЛА.

В результате проведенных исследований установлено, что наиболее вероятными причинами возникновения скачков фазовых измерений

псевдодальностей являются эффект радиоинтерференции и аппаратно - программные ограничений при реализации ПИ ГНСС.

Рис. 5 Временная зависимость временного сдвига временных шкал ПИ и ГНСС

В третьей главе предложены и исследованы алгоритмы обнаружения и компенсации скачков фазовых измерений в наземном оборудовании ЛККС.

С целью повышения эффективности обнаружения скачков фазы в наземном оборудовании ЛККС (с известной дальностью Я,(к) между станцией и г-м спутником) осуществлен переход от фазового измерения, обладающего высокой скоростью изменения к менее скоростному процессу - фазовой поправке РС:(к):

где: %тп(к) - сдвиг временных шкал ПИ и ГНСС.

Обнаружение скачков фазовых измерений в наземном оборудовании ЛККС осуществляется отказоустойчивым нелинейным фильтром. При этом система рассматривается как система с нарушениями функционирования, а отказ системы -это появление выброса. Переход от скачков к выбросам производится с усреднением фазовых поправок по всему наблюдаемому созвездию спутников и формированием первой разности усредненной фазовой поправки с!РС,(к). Величина ЛРС^к) не содержит шума опорного генератора ПИ потребителя, который в недорогих ПИ существенно превышает случайную ошибку ФАПЧ, создаваемую шумами.

Обнаружения скачков фазовых измерений алгоритмом, сводится к определению области & = [-упор,Упор] «хороших» значений наблюдаемых

измерений. Для этого вычисляют верхний и нижний пороговые значения ± у„ор{к):

±упоЛк) = х{к-\)±иЩЫ*

qs

Uk)

(4.2)

где: x{k — 1) - оценка первой разности усредненной фазовой поправки, q -вероятность исправной работы канала измерения, е > 0 - малое наперед заданное число, на которое величина апостериорной вероятности исправного состояния канала измерения отличается от единицы, , - среднеквадратические отклонения наблюдаемых процессов, L = 1 в случае исправной работы канала измерения L = a в случае наличия ошибок в канале измерения; %L2 = Р(к— l) + Q +I?R , Р(к — 1) -дисперсия ошибок экстраполяции, Q и R- дисперсии шумов возмущений и измерений соответственно. В случае если текущее значение первой разности фазовой поправки dPCXk) попадас-г в область Q принимается решение об отсутствии скачка в фазовом измерении Pt(k) и оценка х(к) рассчитывается как: х(к) = je {к -1) + Kl(k)[dPC, {к) - х(к -1)], где: К\(к) - коэффициент усиления фильтра, определяемый выражением.

На рис. 6 сплошной линией показаны первые разности усредненных фазовых поправок dPCl (к) для пяти спутников. При выходе первых разностей фазовых поправок за пороги обнаружения (на рис. 6 показаны пунктирной линией) принимается решение об обнаружении скачков фазовых измерений.

Рис.6 Временные зависимости первых разностей усредненных фазовых поправок пяти спутников совместно с порогами обнаружения

Обнаруженные скачки фазовых измерений устраняются алгоритмом компенсации фазовых скачков основанном на особенности формирования

дифференциальных данных. Для этого вычисляются поправки 3,(к) Д®1 всех наблюдаемых спутников:

¿>(¿-1), ссшс1РСХк) е О , и

(к-1) + ¿РС,-йРС,(к),если аР^{к) € П

Фазовое измерение Р/,(к) с устраненным скачком, определяется как:

РМк) = Р1(к) + Э1(к) Предложенные алгоритмы обнаружения и компенсации скачков функционируют как при одиночных, так и при совместных скачках фазовых измерений в нескольких каналах измерения ПИ ГНСС.

В четвертой главе исследован алгоритм обнаружения и коррекции фазовых скачков на борту летательного аппарата при использовании данных от инерциальной навигационной системы (ИНС).

В бортовом оборудовании ГНСС нельзя определить дальность от ЛА до спутника с точностью, необходимой для формирования фазовой поправки, используемой алгоритмом обнаружения скачков фазовых измерений. В ходе исследования выявлено, что для определения скачков фазовых измерений можно использовать координаты ЛА, вырабатываемые ИНС. Погрешности ИНС, вызываемые смещением нуля акселерометра, неточностью масштаба акселерометра, начальным отклонением платформы по уровню и дрейфом гироскопа, создают ошибку измерения скорости, которая суммируется с первой разностью фазовой поправки. Это вызывает смещение порогов обнаружения ± упор{к) и увеличение вероятности ложных обнаружений. На рис. 7 приведена первая разность фазовой поправки <№С(К) при добавлении ошибки измерения скорости ИНС. В работе показано, что при увеличении вероятности ложной тревоги до уровня 2-10"4, ошибка ИНС по скорости не должна превышать 30,5м/с. Исследовано влияние дискретизации сигнала ИНС. Показано, что наличие шума квантования приводит к увеличению суммарного СКО первой разности бортовой фазовой поправки. В результате проведенных исследований в работе выявлено, что при вероятности ложной тревоги алгоритма обнаружения скачков фазовых измерений составляющей 2-Ю"4 и погрешности скорости ИНС 10м/с величина среднеквадратического отклонения шума

квантования аналого-цифрового преобразователя скорости ограничена уровнем 0,018 м/с.

Рис. 7 Временная зависимость первой разности фазовой при добавлении ошибки измерения скорости ИНС

Пятая глава посвящена экспериментальной проверке работоспособности алгоритмов обнаружения и компенсации скачков фазовых измерений псевдодальностей в наземном оборудовании ЛККС и бортовом оборудовании ЛА на примере системы посадки ЛА с использованием ГНСС при коррекции скачков фазовых измерений псевдодальностей спутникового ПИ.

Предлагаемая система посадки ЛА отличается от известной наличием блоков, позволяющих формировать уточненные псевдодальности наземного и бортового ПИ по фазовым измерениям с компенсированными скачками. Для системы характерна симметричность структуры, формирующей уточненные псевдодальности для наземного и бортового ПИ.

В работе предложена схема построения программного обеспечения, позволяющая формировать дифференциальную информацию по измерениям от одного до четырех ПИ.

С помощью полунатурного и натурного эксперимента подтверждена работоспособность алгоритмов обнаружения и коррекция одиночных и совместных скачков в фазовых измерениях наземного и бортового оборудования системы инструментальной посадки с использованием ГНСС. На рис. 8 показаны изменения координат в плоскости ух. В течение сеанса наблюдения непрерывно наблюдалось созвездие из пяти спутников, длительность записи 10694с, координаты с компенсированными скачками фазы показаны маркерами серого цвета, значения

координат, определенные по данным без коррекции скачков фазы, выделены более темным цветом.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что в системе инструментальной посадки с использованием ГНСС при формировании координат летательного аппарата по данным с устраненными скачками фазовых измерений псевдодальностей наземного и бортового ПИ среднеквадратические отклонения координат (X, У,Т) могут уменьшаться на 20% - 25%.

Рис.8 Изменение координат неподвижного потребителя в плоскости уг с компенсацией и без компенсации скачков фазовых измерений

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Проведено исследование влияния скачков фазовых измерений псевдодальностей в ПИ ГНСС на точность измерения положения летательного аппарата. Показано, что при высоком значении геометрического фактора, при малом числе наблюдаемых спутников а так же при скачке фазового измерения у спутника с большим углом места возможно появление скачков измерения высоты ~3-4м, что недопустимо при точном заходе на посадку.

2. Проведенные экспериментальные исследования приемоизмерителя глобальной навигационной спутниковой системы показали:

- возможность появления интерференции при работе бортовых систем с мощными передатчиками типа дальномерной системы ближней навигации (РСБН) или ответчика вторичной радиолокации. При работе передатчика РСБН вблизи половины центральной частоты диапазона Ы происходит ухудшение точности

определяемых координат. В проведенном эксперименте флюктуация координаты Z возрасла с Зм до 12м, флюктуация координат X и Y увеличилась с 1-2м до 6м. - возможность возникновения скачков фазового измерения из-за неточностей в реализации программно-аппаратного обеспечения аппаратуры потребителя. Показано, что такие скачки возникают одновременно в нескольких каналах приема и имеют различную амплитуду. При решении задачи посадки вероятность появления таких скачков за время 150 с может составлять 0,083.

3. Предложен и исследован алгоритм обнаружения скачков фазовых измерений на основе отказоустойчивого фильтра. Этот алгоритм имеет преимущества по сравнению с известным алгоритмом основанном на методе наименьших квадратов, и способен выявлять скачки фазовых измерений с большей интенсивностью и совместные скачки в группе спутников.

4. Экспериментальные исследования показали, что предложенный алгоритм обнаружения скачков фазовых измерений можно использовать в бортовом оборудовании летательного аппарата совместно с данными инерциалыюй навигационной системы, если суммарная ошибка по скорости инерциалыюй навигационной системы, вызванная погрешностью измерительных инструментов (смещение нуля акселерометра, погрешность масштаба акселерометра, начальное отклонение платформы по уровню, постоянный дрейф гироскопа) не превышает 10м/с, и величина среднеквадратического отклонения шума квантования аналого-цифрового преобразователя данных ИНС не превышает 0,018 м/с.

5. Предложен алгоритм компенсации скачков фазовых измерений бортового и наземного ПИ ГНСС, пригодный для одиночных и совместных скачков фазовых измерений группы спутников.

6. Разработана структура программного обеспечения, позволяющая формировать дифференциальную информацию по измерениям от одного до четырех приемоизмерителей локальной контрольно-корректирующей станции.

7. Предложен способ посадки летательных аппаратов для системы спутниковой посадки с использованием ГНСС и коррекцией скачков фазовых измерений псевдодальностей спутникового приемоизмерителя.

8. Экспериментально показано, что в системе инструментальной посадки с использованием ГНСС при формировании координат летательного аппарата по

данным с устраненными скачками фазовых измерений псевдодальностей наземного и бортового приемоизмерителей уменьшается среднеквадратическое отклонение координат на 20 %-25 %.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Статьи, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Чистякова С.С. Контроль фазовых измерений в опорных приемниках наземных систем локальных функциональных дополнений GPS/Глонасс /Соколов А.И., Чистякова С.С. // Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ») / СПбГЭТУ «ЛЭТИ»,- 2006.-Вып. 2: Серия «Радиоэлектроника и телекоммуникации».-С.27-32

2. Чистякова С.С. Исследование эффективности коррекции скачков фазовых измерений при формировании дифференциальных поправок в глобальной навигационной системе / Юрченко Ю.С., Чистякова С.С., Шарыпов A.A.//Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ») / СПбГЭТУ «ЛЭТИ»,- 2006.-Вып. 2: Серия «Радиоэлектроника и телекоммуникации».-С.32-36.

Другие работы:

3. Чистякова С.С. Контроль фазовых измерений в приемнике GPS / Чистякова С.С., Соколов А.И. // бОая научно-техническая конференция посвященная дню радио. Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Апрель 2005г. С. 15 - 16

4. Чистякова С.С. Формирование дифференциальных поправок псевдодальностей с коррекцией фазовых измерений / Чистякова С.С., Соколов А.И., Шарыпов A.A. // 61ая научно-техническая конференция посвященная дню радио. Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Апрель 2006г. С. 21 - 23.

5. Чистякова С.С. Исследование влияния перескоков фазовых измерений на ошибку определения координат воздушного судна в инструментальной дифференциальной спутниковой системе посадки // 62ая научно-техническая конференция посвященная дню радио. Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Апрель 2007г. С. 32 - 33стр.

Подписано в печать 12.10.08. Формат 60*84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 68.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательства СПбГЭТУ "ЛЭТИ"

Издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

ВВЕДЕНИЕ.

1. ГЛАВА 1 Анализ влияния скачков в фазовых измерениях псевдодальностей на точность определения координат.

1.1. Обзор способов обнаружения скачков фазовых измерений псевдодальностей.

1.2. Определение влияния скачков фазовых измерений псевдодальностей на оценку вектора координат потребителя.

1.3.Выводы по главе и постановка задачи исследования.

2. ГЛАВА 2 Причины возникновения скачков фазовых измерений псевдодальностей.

2.1. В водные замечания.

2.2.Анализ влияния шумовой помехи на вероятность появления скачков фазовых измерений псевдодальностей.

2.3.Исследование влияния интерференции на частоту появления скачков фазовых измерений псевдодальностей.

2.4.Исследование влияния ограничений при реализации ПИ на появление скачков фазовых измерений.

2.5. Классификация скачков фазовых измерений псевдодальностей.

2.6.Выводы по главе.

3. ГЛАВА 3 Обнаружение и компенсация скачков фазовых измерений псевдодальностей в наземном оборудовании ЛККС. 55 3.1.Вводные замечания.

3.2.Обнаружение скачков фазовых измерений псевдодальностей в оборудовании JIKKC.

3.3.Упрощенный алгоритм обнаружения скачков фазовых измерений псевдодальностей.

3.4.Компенсация скачков фазовых измерений псевдодальностей.

3.5.Применение алгоритмов обнаружения и компенсации скачков фазовых измерений псевдодальностей в наземном оборудовании JIKKC.

3.6.Выводы по главе.

4. ГЛАВА 4 Исследование возможности применения алгоритмов обнаружения и компенсации скачков фазовых измерений псевдодальностей в бортовом оборудовании летательного аппарата.

4.1 .Водные замечания.

4.2. Оценка влияния ошибок, вносимых инерциальной навигационной системой, на результат обнаружения скачков фазовых измерений.

4.2.1. Погрешность инерциальной навигационной системы — смещение нуля акселерометра.

4.2.2. Погрешность масштаба акселерометра (нелинейность).

4.2.3. Начальное отклонение по уровню платформы.

4.2.4. Постоянный дрейф гироскопа.

4.3.Оценка влияния ошибок квантования выходного сигнала инерциальной навигационной системы на результат обнаружения скачков фазовых измерений псевдодальностей. 89 4.4. Совместное влияние ошибок инерциальной навигационной системы и ошибок квантования сигнала инерциальной навигационной системы на результат обнаружения скачков фазовых измерений псевдодальностей.

4.5.Выводы по главе.

5. ГЛАВА 5 Экспериментальные исследования.

5.1.Вводные замечания.

5.2.Система посадки летательных аппаратов с использованием ГНСС и коррекцией скачков фазовых измерений псевдодальностей спутниковых приемоизмерителей.

5.3.Постановка экспериментальных исследований.

5.4.Результаты экспериментального применения предложенных алгоритмов обнаружения и компенсации скачков фазовых измерений псевдодальностей.

5.4.1. Полунатурное моделирование.

5.4.2. Натурное моделирование.

5.5.Оценка эффективности применения алгоритмов обнаружения и компенсации скачков фазовых измерений псевдодальностей

5.6.Выводы по главе.

В настоящее время глобальная навигационная спутниковая система (ГНСС) второго поколения состоит из частично развернутой системы ГЛО-НАСС (Россия) и полностью развернутой системы NAVSTAR (США), которую принято называть GPS (Global Position System) [1-8].

В ГНСС связь между космическим сегментом (подсистемой космических аппаратов) и навигационной аппаратурой потребителя осуществляется по двум радиоканалам с диапазоном частот LX и L2. В радиоканалах передаются навигационные сигналы стандартной и высокой точности. Сигнал высокой точности предназначен для военного применения странами -владельцами систем спутниковой навигации. Гражданским потребителям доступен сигнал стандартной точности. В системе ГЛОНАСС используются следующие частотные поддиапазоны: £1-1,6 ГГц и £2-1,2 ГГц. Частотные диапазоны системы GPS: LX = 1,57542 ГГц и L2 = 1,2276ГГц. При рассмотрении GPS принято обозначать сигнал стандартной точности, передаваемый на частоте ь\, как сигнал с С/А-кодом (грубым кодом).

На сегодняшний день, наиболее широкое применение ГНСС находит в задачах навигации движущихся объектов (самолетов и вертолетов, морских и речных судов, автомобилей, людей и др.). Однако, требования к точности местоопределения таких объектов в ряде случаев оказываются выше возможностей предоставляемых ГНСС. Так, при заходе на посадку в рамках требований категории 1 международной организации гражданской авиации (ICAO) точность местоопределения с вероятностью 90% должна составлять ±16м в горизонтальной плоскости и ±4м в вертикальной плоскости[9, стр. 3-77].

В худшем случае при работе с навигационными сигналами стандартной точности системы ГЛОНАСС диапазона частот L\, погрешность определения координат составляет: 60м в плане и 100 м по высоте в годы максимальной солнечной активности и 30м в плане и 50м по высоте в годы минимальной солнечной активности. Погрешности (с вероятностью 0,95) навигационных определений в системе GPS составляют 100 м в плане и 156 м по высоте. [4, стр. 39].

В настоящее время для обеспечения посадки воздушных судов гражданской авиации используются специализированные радиотехнические инструментальные системы посадки метрового диапазона радиоволн типа ILS и сантиметрового диапазона - типа MLS.

Общими недостатками таких систем являются: большая мощность излучаемого сигнала влечёт повышенное энергопотребление и риск для персонала; высокие стоимость системы и последующие эксплуатационные расходы; необходимость сложной инженерной подготовки местности в районе установки наземных радиомаяков; один комплект наземного оборудования позволяет обслуживать только одну взлетно-посадочную полосу и только в одном направлении.

Современная концепция технической модернизации средств навигации, предлагаемая Федеральной службой воздушного транспорта России, в 2006 - 2015 гг. предполагает постепенный переход к использованию глобальной навигационной спутниковой системы в качестве основного средства на всех этапах полета вплоть до автоматического захода на посадку летательного аппарата в рамках требований 1-ой категории ICAO при использовании наземных систем функционального дополнения глобальной навигационной спутниковой системы на базе локальных контрольно-корректирующих станций.

Применение глобальной навигационной спутниковой системы с локальными контрольно-корректирующими станциями позволит снизить затраты на обслуживание воздушного движения за счет замены разнотипного оборудования едиными средствами и обеспечения всех этапов полета летательного аппарата, включая категорированный заход на посадку на аэродром. Поскольку эффективная дальность действия локальной контрольнокорректирующей станции составляет десятки километров, то одна локальная контрольно-корректирующая станция позволяет обслуживать все взлетно-посадочные полосы заданного аэропорта.

Невысокая стоимость бортового оборудования глобальной навигационной спутниковой системы и наземного оборудования локальной контрольно-корректирующей станции позволит оснастить множество аэродромов. К настоящему времени в РФ из 1000 аэродромов, находящихся в эксплуатации в гражданской авиации, лишь около 70 оснащены системами инструментальной посадки.

Как видно из приведенных данных, точность местоопределения посредством ГНСС не удовлетворяет авиационным требованиям к точности при заходе на посадку. Требуемая точность определения местоположения может быть достигнута в дифференциальном режиме работы глобальной навигационной спутниковой системы, организуемом за счет данных, получаемых по радиоканалу от локальной контрольно-корректирующей станции, установленной в районе аэропорта. Основным фактором, позволяющим улучшать точность ГНСС за счет дополнения ее дифференциальными подсистемами, является относительное постоянство значительной части погрешностей спутниковой радионавигационной системы в пространстве и времени.

Построение дифференциального режима предполагает наличие как минимум двух спутниковых приемоизмерителей (ПИ). Один измеритель, ПИ1, расположенный на контрольно—корректирующей станции (ККС), имеет точную геодезическую привязку и формирует кодовые коррекции prc, и скорости их изменения RRCt(k) для каждого /-го спутника наблюдаемого созвездия:

PRC, (к) = R, Ск) - PR, Ск) - t„„n„ (к), (в. 1)

ШСХк)=Р"слк)-тРЩ(к-" (в.2) где PR, - псевдодальность, определенная по измерениям ПИ1, i = l.M, М -число сопровождаемых ПИ1 спутников, R, (к) - расчетная дальность, " временная поправка шкалы потребителя относительно шкалы спутниковой системы, к - временной отсчет, Ts - интервал временной дискретизации.

После расчета дальности до спутника R, (к) (с помощью эфемеридного расчета) и формирования дифференциальных данных ККС по линии связи передает дифференциальную информацию, а также координаты заданной глиссады и информацию о параметрах ККС в ПИ (ПИ2) потребителя, расположенный на борту летательного аппарата (JIA). На основе псевдодальностей, определенных по измерениям, формируемых в ПИ2, и полученных дифференциальных данных формируется уточненное измерение псевдодальности PRAj(k)'.

PRA, (к) = PRa, (к) + PRC, (к) + {к- k,count)RRC, (к) + гс,-, (в.З ) где PRa,(к) - измеренная псевдодальность до /-го источника дальности, к:соип, - дискретный момент времени формирования дифференциальной поправки, тс, - тропосферная коррекция. Тропосферная коррекция /-го спутника рассчитывается в соответствии с [10]:

ТС, = NRh0 10 6 (1 - ехр(-^)),

0.002 + sin (£/,) "0 где nr и h0 индекс рефракции и высота по тропосферной шкале, передаваемые наземной станцией, ал - высота летательного аппарата над опорной точкой JIKKC, El, - угол возвышения спутника.

Таким образом, дифференциальный режим работы ГНСС позволяет компенсировать ошибки измерения псевдодальности, обусловленные задержкой радиосигнала в нижних слоях атмосферы.

Для решения задач точной навигации в авиации используются локальные дифференциальные подсистемы, которые обычно включают одну ККС, (имеются варианты с несколькими ККС), аппаратуру управления и контроля и средства передачи данных. Зона действия локальной ККС (JIKKC) составляет 50-200км.

В авиации ЛККС ГНСС предназначена для обеспечения всех типов захода на посадку, посадок, вылетов и наземных операций на маршруте и в районе аэродрома.

Международные авиационные требования (ICAO) [9, стр. 3-73] предписывают ЛККС выполнять следующие функции:

- обеспечивать локальные поправки к псевдодальности;

- обеспечивать данными о ЛККС;

- обеспечивать данными для конечного участка точного захода на посадку;

- обеспечивать прогнозирование данных об эксплуатационной готовности дальномерного источника;

- обеспечивать контроль целостности источников дальномерных измерений ГНСС.

В таблице 1.1 приведены требования к характеристикам сигнала в пространстве в торце взлетно-посадочной полосы (ВПП), к точности и порогам срабатывания сигнализации в горизонтальной и вертикальной плоскостях [9, стр. 3-77]. Наряду с требованиями, приведенными в таблице 1.1, ЛККС должна удовлетворять требованиям к целостности, непрерывности и доступности [9, 11]. Минимальная зона действия ЛККС для обеспечения заходов на посадку изображена на рис. в.1. Относительно точки LTP - посадочного порога ВПП ЛККС должна передавать сигналы в горизонтальном направлении под углом ±35° на расстояние 28км, а последующие 9 км - в горизонтальном направлении в секторе с углом ±10° [9. доп D-25]. В вертикальном направлении зона действия ЛККС лежит в диапазоне 0,3 GPА -1,75GPA (GPA - угол глиссады) от точки захвата глиссады (GPIP).

Чтобы удовлетворять указанным требованиям, в состав ЛККС включают несколько (1 = 3-4) приемоизмерителей ГНСС, вычислитель и аппаратуру передачи данных на борт ЛА.

Таблица 1.1

Требования к точности и порогам срабатывания сигнализации в горизонтальной и вертикальной плоскостях

Типовая опе- Точность в Точность в Порог сраба- Порог рация горизонталь- вертикальной тывания по срабатыной плоскости 95% плоскости 95% горизонтали вания по вертикали

Заход на по- 16,0м 20 м 40,0 м 50м садку с управ- лением по вертикали (APV-1)

Заход на по- 16,0м 8,0 м 40,0 м 20,0 м садку с управ- лением по вертикали (APV-2)

Точный заход 16,0м 6,0 - 4,0 м 40,0 м 15,0- 10 м на посадку по категории 1

Вид сверху на посадку

С целью уменьшения случайных ошибок, возникающих в канале измерения псевдодальности как бортового, так и наземных ПИ, в соответствии с требованиями RTCA и ICAO выполняется объединение псевдодальномерных (кодовых) измерений и фазовых измерений псевдодальностей с помощью алгоритма [9, 23], который для одного спутникового приемника может быть записан в следующем виде:

PRtJ (к) = PR,, (к -1) + АР, (к) + B(PR, (к) - PRfJ (к-\)-АР, (к))'

АР,(к) = Р,(к)-Р,(к-1) ' ^ } где PR,, (к) - уточненная псевдодальность, PR,{к) - кодовое измерение, АР,{к)

- разность фазовых измерений на текущем к и предыдущем к -1 временном шаге, / = 1,2,.Л/ - индекс спутника из наблюдаемого созвездия размером М, В - весовой коэффициент фильтра, к-1,2,. - дискретное время. Весовой коэффициент фильтра в определяется постоянной времени фильтра Гу (для бортового и наземного оборудования в авиации 7y = iooc) и интервалом временной дискретизации Ts: В = TJ Tf.

Далее уточненная псевдодальность используется при формировании коррекции PRC,(k) в (в.1). Использование алгоритма (в.4) основано на том, что случайные ошибки фазовых измерений намного меньше, чем ошибки псевдодальномерных измерений.

На эквивалентной схеме алгоритма (в.2) видно, что измерения псевдодальности PR, (к) подвергаются низкочастотной фильтрации в RC-фильтре с постоянной времени 7} = 100 с. В то же время, быстрые флюктуации фазовых измерений Р,(к) проходят на выход фильтра без ослабления. При нормальной работе схемы слежения случайные фазовые ошибки не могут существенно повлиять на точность формирования величины PRr,{к). Однако скачки фазовых измерений при срывах слежения передаются на выход PRu{k) без ослабления и создают переходный процесс экспоненциальной формы с постоянной времени 100 с.

PR i(k)

R -o c 4=

RfM) +1-► pm — R i

Рис. в. 2 Эквивалентная схема ко до-фазового фильтра

Этот дефект затем передается в кодовую коррекцию PRC,{k) и уточненное измерение псевдодальности PRAt(k), используемое при определении координат.

Скачки фазовых измерений могут существенно повлиять на точность определения координат летательного аппарата. Следовательно, исследование и разработка методов обнаружения и коррекции скачков фазовых измерений является актуальной задачей.

Целью работььявляется исследование и разработка методов обнаружения и коррекции скачков фазовых измерений в системе посадки J1A с использованием ГНСС.В первой главе приведен обзор существующих методов обнаружения скачков фазовых измерений и перечислены их недостатки. Исследовано влияние скачков фазовых измерений на оценку координат ДА.

Во второй главе сделан анализ причин появления скачков фазовых измерений. Исследовано влияние шумов тракта ПИ на вероятность появления срывов слежения системы ФАПЧ при работе со спутниковыми сигналами. Приведены результаты экспериментального исследования влияния передатчика системы РСБН на прием спутниковых сигналов и исследование влияния погрешностей реализации программно-аппаратного обеспечения аппаратуры потребителя на фазовые измерения.

В третьей главе предложены методы обнаружения и коррекции скачков фазовых измерений в наземном оборудовании JIKKC на основе отказоустойчивых фильтров.

В четвертой главе исследована возможность применения предложенных методов обнаружения и коррекции скачков фазовых измерений в бортовом оборудовании JIA при использовании данных инерциальной навигационной системы. Сформулированы требования, предъявляемые к данным, формируемым инерциальной навигационной системой.

В пятой главе выполнены экспериментальные исследования подтверждающие возможность применения предложенных методов обнаружения и компенсации скачков фазовых измерений в наземном оборудовании JIKKC и бортовом оборудовании JIA. Предложена система посадки летательных аппаратов с использованием. ГНСС и коррекцией скачков фазовых измерений псевдодальностей спутникового ПИ.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Алгоритм обнаружения скачков фазы в нескольких каналах измерения наземной многоканальной аппаратуры спутниковой системы посадки летательных аппаратов с использованием ГНСС.

2. Алгоритм обнаружения скачков фазы в бортовом оборудовании летательного аппарата при использовании данных инерциальной навигационной системы для выявления дефектов фазовых измерений.

3. Алгоритм компенсации скачков фазовых измерений псевдодальности для наземной и бортовой аппаратуры спутниковой системы посадки летательных аппаратов с использованием ГНСС.

4. Способ посадки летательных аппаратов с использованием ГНСС для системы спутниковой посадки с коррекцией скачков фазовых измерений псевдодальностей спутниковых приемоизмерителей.

Основные положения диссертационной работы представлялись и обсуждались на: юбилейной 60-й научно-технической конференции, посвященной Дню радио, С.-Петербург, СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2005 г.;

61-й научно-технической конференции, посвященной Дню радио, С.Петербург, СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2006 г.;

62-й научно-технической конференции, посвященной Дню радио, С.Петербург, СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2007 г.;

9-й конференции молодых ученых "Навигация и управление движением", СПб, ГНЦ ЦНИИ «Электроприбор», 2007 г. По результатам доклада получен диплом 1 степени за лучший доклад, представленный на секции «Спутниковые навигационные системы». научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2006 - 2008 гг.

Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в пяти работах, среди которых две статьи в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, а также материалы трех докладов научно-технических конференций, перечисленных в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав с выводами и практическими рекомендациями, заключения, изложена на 138 страницах, в том числе 85 страницах машинописного текста, включает 74 рисунка, три таблицы, и содержит список литературы из 44 наименований, среди которых 26 - отечественных и 18 — иностранных авторов.

5.6 Выводы по главе

В настоящей главе автором получены следующие результаты:

1. Предложена система посадки летательных аппаратов с использованием ГНСС и коррекцией скачков фазовых измерений псевдодальности спутниковых ПИ в наземном и бортовом оборудовании.

2. Предложена схема работы программного обеспечения позволяющая формировать дифференциальную информацию по измерениям одного или четырех ПИ в режиме реального времени.

3. Подтверждена с помощью полунатурного и натурного эксперимента работоспособность алгоритмов обнаружения и коррекция одиночных и совместных скачков в фазовых измерениях наземного и бортового оборудования системы инструментальной посадки с использованием ГНСС.

4. Экспериментально показано, что в системе инструментальной посадки с использованием ГНСС при формировании координат летательного аппарата по данным с устраненными скачками фазовых измерений псевдодальностей наземного и бортового приемоизмери-телей может уменьшаться среднеквадратическое отклонение координат 20%-25%.

131

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведено исследование влияния скачков фазовых измерений псевдодальностей в ПИ ГНСС на точность измерения положения летательного аппарата. Показано, что при высоком значении геометрического фактора, при малом числе наблюдаемых спутников а так же при скачке фазового измерения у спутника с большим углом места возможно появление скачков измерения высоты ~3-4м, что недопустимо при точном заходе на посадку.

2. Проведенные экспериментальные исследования приемоизмерителя глобальной навигационной спутниковой системы показали:

- возможность появления интерференции при работе бортовых систем с мощными передатчиками типа дальномерной системы ближней навигации (РСБН) или ответчика вторичной радиолокации. При работе передатчика РСБН вблизи половины центральной частоты диапазона L1 происходит ухудшение точности определяемых координат. В проведенном эксперименте флюктуация координаты Z возрасла с Зм до 12м, флюктуация координат X и Y увеличилась с 1-2м до 6м.

- возможность возникновения скачков фазового измерения из-за неточностей в реализации программно-аппаратного обеспечения аппаратуры потребителя. Показано, что такие скачки возникают одновременно в нескольких каналах приема и имеют различную амплитуду. При решении задачи посадки вероятность появления таких скачков за время 150 с может составлять 0,083.

3. Предложен и исследован алгоритм обнаружения скачков фазовых измерений на основе отказоустойчивого фильтра. Этот алгоритм имеет преимущества по сравнению с известным алгоритмом основанном на методе наименьших квадратов, и способен выявлять скачки фазовых измерений с большей интенсивностью и совместные скачки в группе спутников.

4. Экспериментальные исследования показали, что предложенный алгоритм обнаружения скачков фазовых измерений можно использовать в бортовом оборудовании летательного аппарата совместно с данными инерциальной навигационной системы, если суммарная ошибка по скорости инерциальной навигационной системы, вызванная погрешностью измерительных инструментов (смещение нуля акселерометра, погрешность масштаба акселерометра, начальное отклонение платформы по уровню, постоянный дрейф гироскопа) не превышает 10м/с, и величина среднеквадратического отклонения шума квантования аналого-цифрового преобразователя данных ИНС не превышает 0,018 м/с.

5. Предложен алгоритм компенсации скачков фазовых измерений бортового и наземного ПИ ГНСС, пригодный для одиночных и совместных скачков фазовых измерений группы спутников.

6. Разработана структура программного обеспечения, позволяющая формировать дифференциальную информацию по измерениям от одного до четырех приемоизмерителей локальной контрольно-корректирующей станции.

7. Предложен способ посадки летательных аппаратов для системы спутниковой посадки с использованием ГНСС и коррекцией скачков фазовых измерений псевдодальностей спутникового приемоизмерителя.

8. Экспериментально показано, что в системе инструментальной посадки с использованием ГНСС при формировании координат летательного аппарата по данным с устраненными скачками фазовых измерений псевдодальностей наземного и бортового приемоизмерителей уменьшается среднеквадратическое отклонение координат на 20 %-25 %.

Как следует из полученных результатов, цель, поставленная в работе, полностью достигнута.

Полученные результаты могут быть использованы:

- для повышения точности систем посадки летательных аппаратов с использованием ГНСС;

- для повышения точности контрольно-корректирующих станций функционального дополнения ГНСС;

Исследование целесообразно продолжить в следующих направлениях:

- экспериментальная проверка предложенных способов с использованием сигналов системы ГЛОНАСС и измерений проводимых спутниковыми приемниками других производителей;

- экспериментальная проверка предложенных способов в системе посадки летательных аппаратов с использованием ГНСС;

Исследования целесообразно продолжить на кафедре радиотехнических систем Санкт-Петербургского государственного университета «ЛЭТИ», а так же в закрытом акционерном обществе «ВНИИРА-Навигатор» (Санкт-Петербург).

134

1. Радиотехнические системы: учебник для студентов вузов / Ю.М. Каза- ринов др..; под. ред. Ю.М. Казаринов. - М.: Изд. Центр «Академия»., 2003. -

2. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования . Под ред. А.И Перова, В.Н. Харисова. Изд. 3-е, перераб. — М.: Радиотехника, 2005, 288

3. Сетевые спутниковые радионавигационные системы / Н.В. Иванцевич, и др..; отв. Ред. B.C. Шебшаевич. — 2-е изд. — М.: Радио и связь, 1993. —

4. Соловьев Ю.А. Системы спутниковой навигации / Ю.А. Соловьев. — М.: Эко-Трендз, 2000. - 270

5. Соловьев Ю.А. Спутниковая навигация и ее приложения / Ю.А. Соловьев. - М.: Эко-Трендз, 2003. - 326

6. Гино, Б Измерение времени. Основы GPS / К. Одуан, Б. Гино; пер. с англ. Ю.С. Домина, под общ. Ред. В.М. Татаренкова. - М.: Техносфера, 2002. - 400

7. Navstar GPS Space Segment/Navigation User interfaces, ICD-GPS-200C// ARINC Research Corporation, 10 October 1993. Режим доступа http://www.arinc.com/gps

8. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования. / Под ред. А.И Перова, В.Н. Харисова. Изд. 3-е, перераб. - М . : Радиотехника, 2005, 288

9. Приложение 10 к Конвенции о международной гражданской авиации. Авиационная электросвязь. Том 1. Изд. Шестое. 2006г.

10. Akos D., GBAS Validation Methodology and Test Results from the Stanford

11. DO-246C, GNSS Based Precision Approach Local Area Augmentation System (LAAS) - Signal-in-Space Interface Control Document (ICD) //Radio Technical Commission for Aeronautics, 04.07.05 - Режим доступа: http://www.rtca.brg/doclist.asp

12. Akos D., Signal Quality Monitoring: Test Results Text./ D. Akos, R. Phelts, S.Pullen, P. Enge //NMT 2000: Proceedings of 2000 National Technical Meeting of the Institute of Navigation. -Anaheim, 2000. - P. 536-541.

13. Shively, Predicted Performance of Ground Monitoring for Satellite Correlation Peak Fault in LAAS Textj/C.Shivel//// NMT 2000: Proceedings of 2000 National Technical Meeting of the Institute of Navigation. —Anaheim, 2000. — P. 226-235.

14. DO-245A, Minimum Aviation System Performance Standards for Local Area Augmentation System (LAAS) //Radio Technical Commission for Aeronautics, 12.09.04-Режим доступа: http://www.rtca.org/doclist.asp

15. Аксенов СЮ. Алгоритмы устранения разрывов фазовых траекторий в измерениях авиационных приемников спутниковой навигации. //Радиотехника №6 2008г, 44-49.

16. Чистякова С. Формирование дифференциальных поправок псевдодальностей с коррекцией фазовых измерений/Чистякова С, Соколов А.И., Шарыпов А.А.//Труды 61й НТК посвященной дню радио. Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Апрель 2006г. 21 - 23.

17. C.-F. Lin; Positioning and navigation method and system thereof// United States Patent 6,697,736, February 24, 2004

18. Г.В. Обрезков, В.Д. Разевиг, «Методы анализа срыва слежения». М., Изд-во «Советское радио», 1972, 240

19. Радиотехнические системы управления: учебник для вузов/В.А. Вей- цель, А.С. Волковский, А. Волковский и др.; под. Ред. В.А. Вейцеля. — М. Дрофа, 2005. -416С.

20. Гутин B.C. Кодовое разделение сигналов как средство электромагнитной совместимости в спутниковой системе подвижной радиосвязи // Сборник научных докладов 5-го Международного симпозиума по ЭМС и ЭМЭ. — Санкт-Петербург, 2003

21. Ярлыков М.С. Статистическая теория радионавигации. — М.: Радио и связь, 1985. 344

22. Гришин Ю.П., Казаринов Ю.М. Динамические системы, устойчивые к отказам/ М.: Радио и связь, 1985. - 176

23. Чистякова С. Контроль фазовых измерений в приемнике GPS/Чистякова С, Соколов А.И.//Труды 60й НТК посвященной дню радио. Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Апрель 2005г. 15 - 16.

24. B.H. Харисов, А.Л. Аникин, А.А. Данесян Статистический анализ устойчивости алгоритма глубокой интеграции приемника спутниковой навигации и инерциальных датчиков//Радиотехника-2005.-Вып. 7, 21-26.

25. А.И. Перов, А.Ю. Шатилов Комбинированный одноэтапно- двухэтапный алгоритм когерентной обработки радио сигналов в приемнике СРНС.//Радиотехника- 2007.-вып.7., 73-79.

26. И.А. Копнов Применение комплекса бортовых траекторных измерений для обеспечения летных пилотажно-навигационных комплексов летательных аппаратов.//Радиотехника-2008.-вып.1, 91-94

27. Д.Б. Дункан Инерциальная навигация. Анализ и проектирование/под. ред. 0'Доннела//Изд-во Наука, 1969, 592

28. Low Cost ±1.5 Single/Dual Axis Accelerometer//Preliminary Technical Data - Analog Devices, режим доступа http://www.analog.com

29. А. Лебедев Цифровые МЭМС акселерометры в automotive_ исполнении// Современная электроника, № 5 2008 г, 28-31

30. В2 3 379 958 8503069 A, G 01 S 5/02 заявл. 02.11.1993 г., опубл. 24.02.2003 г.

31. RTCM 10403.1, Differential GNSS (Global Navigation Satellite Systems) Services - Version 211 Radio Technical Commission for Maritime Services - Режим доступа: https://ssl29.pair.com/dmarkle/puborder.php

32. Б. Мейер Объектно-ориентированное конструирование программных систем /Пер. с англ. - М.: Издательско-торговый дом «Русская Редакция», 2005.-1232