автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.14, диссертация на тему:Исследование методов измерения и прогнозирования ошибок многолучевого распространения в системе инструментальной спутниковой посадки

Шарыпов Алексей Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ

ОШИБОК МНОГОЛУЧЕВОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ В СИСТЕМЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ СПУТНИКОВОЙ ПОСАДКИ

Специальность: 05.12.14 - Радиолокация и радионавигация

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

-О з [.: '.Р 2011

Санкт-Петербург - 2011

4839796

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

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Юрченко Юрий Семенович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Зиатдинов Сергей Ильич кандидат технических наук Короткое Андрей Николаевич

Ведущая организация:

Филиал ОАО Всероссийский научно-исследовательский институт радиоаппаратуры (ВНИИРА) ЗАО «ВНИИРА-Навигатор»

Защита состоится «■- » Л!с

г : ^ 2011 г. в ;^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 <£&» 2011 г

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций

Баруздин С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. В соответствии с планами международной организации гражданской авиации спутниковые навигационные системы должны стать основным средством навигации в авиации. Дифференциальный режим работы аппаратуры потребителей позволяет реализовать высокоточный режим навигации и посадки воздушных судов (ВС). Для этого аппаратура потребителей глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС), состоящей из систем GPS и ГЛОНАСС, используется совместно с локальными системами функционального дополнения - локальными контрольно-корректирующими станциями (JIKKC). JIKKC вырабатывает дифференциальные поправки, выполняет функции контроля работоспособности навигационных спутников и вырабатывает информацию о целостности и точности.

Для решения задачи контроля целостности в наземной и бортовой аппаратуре должны контролироваться ошибки измерений, создаваемых в основном шумовыми помехами и многолучевым распространением (MJIP) сигналов, и вырабатываться оценки дисперсии ошибок измерения псевдодалыюстей в JIKKC и бортовом приемнике. При посадке ВС должно удерживаться в коридоре, который определяется допустимыми ошибками. При выходе за границы ошибок пилот должен получать предупреждение о потере целостности навигационных измерений.

В технических требованиях на систему инструментальной посадки ВС отсутствуют рекомендации по методам оценивания ошибок MJIP и дисперсии ошибок дифференциальных поправок, поэтому актуальной является проблема контроля величины дисперсии ошибок MJIP в оборудовании ЖКС и бортовом приемнике ВС.

Известные методы измерения дисперсии ошибок МНР основаны на длительных наблюдениях и требуют использования узкополосных фильтров с большими постоянными времени. При этом отбрасывается низкочастотная составляющая ошибки МЛР. Подобные методы могут использоваться на JIKKC благодаря периодическому повторению помех МЛР для построения карты помех, однако они не пригодны для оперативной оценки ошибок MJIP на борту маневрирующего ВС. Ограниченность известных алгоритмов обуславливает актуальность разработки новых методов оценивания и прогнозирования дисперсии ошибок МЛР при комплексной фильтрации навигационных данных,

которые учитывают низкочастотную составляющую ошибки МНР и могут быть применены как в ЛККС, так и на борту ВС.

Цель работы. Целью диссертационной работы является исследование и разработка методов измерения и прогнозирования ошибок МЛР в системе инструментальной посадки ВС с использованием ГНСС.

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 ГНСС.

Научная новизна. Решение поставленных задач в диссертационной работе определило научную новизну исследования, которую составляют:

- метод оценивания ошибок МЛР, использующий двухканальный измеритель отношения сигнал-шум (ОСШ) и позволяющий, в отличие от известных методов, выявить низкочастотную компоненту ошибок многолучевости;

- установленная зависимость сдвига доплеровской частоты отраженного сигнала от его задержки при различном положении приемника относительно плоскости орбиты спутника;

- показано, что использование кодо-фазового фильтра для измерений псевдодальности в приемнике спутниковой системы снижает эффективность коррелятора со специальной формой стробов, предназначенного для борьбы с ошибками МЛР; при этом различие спектров ошибок МЛР на выходе кодо-фазового фильтра для режимов работы системы слежения за задержкой сигнала с узким коррелятором и коррелятором со специальной формой стробов несущественно;

- показано, 1гго использование кодо-фазового фильтра уменьшает различие ошибок МЛР в каналах стандартной точности (СТ) систем GPS и ГЛОНАСС;

- даны рекомендации для формирования базы данных объемного распределения прогнозируемой дисперсии ошибок МЛР для системы ГЛОНАСС в ЛККС;

- предложен метод прогнозирования пространственной области возможного возникновения низкочастотной компоненты ошибок МЛР в бортовом приемнике ВС.

Основные положения, выносимые на защиту:

- оценку ошибки MJIP можно получить с помощью специального двухканального измерителя ОСШ;

- сдвиг доплеровской частоты отраженного сигнала зависит от его задержки и направления прихода;

- результат комплексной фильтрации измерений псевдодальности в аппаратуре потребителя спутниковой системы подобен применению коррелятора со специальной формой строба;

- прогнозирование положения области пространства, создающей низкочастотные ошибки МЛР можно реализовать на основе эфемеридного расчета в аппаратуре потребителя систем GPS и ГЛ011АСС;

- ширина спектра ошибок MJ1P зависит от длительности элементарного символа кода. Интенсивность спектра ошибок MJIP в области низких частот почти не зависит от длительности элементарного символа кода.

Практическая ценность заключается в решении задач оценивания и прогнозирования дисперсии ошибок MJ1P при комплексной фильтрации навигационных данных в J1KKC и на борту ВС при категорированном заходе на посадку с помощью ГНСС.

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

Внедрение результатов работы осуществлено на 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 JIKKC.

Апробация работы Основные положения диссертационной работы представлялись и обсуждались на:

- 61 - 65-й научно-технических конференциях, посвященных Дню радио, С.Петербург, СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2006 - 2010 гг.;

- 9-й конференции молодых ученых "Навигация и управление движением", С.Петербург, ГНЦЦНИИ "Электроприбор", 2007 г.;

- научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2007 - 2010 гг.

Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 7 работах, среди которых 2 статьи в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных перечнем ВАК и 5 публикаций в материалах конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав с выводами и практическими рекомендациями, заключения, изложена на 130 страницах машинописного текста, включает 77 рисунков, 1 таблицу, и содержит библиографический список из 44 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе проведен обзор принципов построения спутниковой системы инструментальной посадки и использования ЛККС в задаче контроля целостности, на основании которого показано, что основными ошибками дифференциальных поправок являются ошибки МЛР и шумы кодовых измерений нсевдодальности на ЛККС и на борту ВС. При этом в соответствии с техническими требованиями на систему инструментальной посадки ВС для контроля целостности необходимо выполнять оценивание дисперсий ошибок дифференциальных поправок и ошибок измерения координат на борту ВС. В то же время, отсутствуют рекомендации способов определения дисперсий этих ошибок и в частности, ошибок МЛР в наземном и бортовом оборудовании посадки.

Известные методы измерения дисперсии ошибок МЛР основаны на длительных наблюдениях и требуют использования узкополосных фильтров с большими (сотни секунд) постоянными времени. Подобные методы могут использоваться на ЛККС благодаря периодическому повторению помех МЛР для построения "карты помех", однако они не пригодны для оперативной оценки ошибок МЛР на борту маневрирующего ВС:

В связи с перспективой использования спутниковой информации в системах посадки II и III категории возрастают требования к контролю целостности навигационных измерений. При этом в современном спутниковом оборудовании начинает широко внедряться комплексирование с инерциальными навигационными средствами.

Рассмотренные в главе метод измерения ошибки МЛР с помощью полосового фильтра и корреляционный метод позволяют оценивать и прогнозировать только дисперсию наземной ошибки МЛР в ЛККС. При этом отбрасывается низкочастотная со-

ставляющая ошибки МЛР. Кроме того, корреляционный метод выделяет лишь сильно коррелированную составляющую ошибки МЛР и позволяет оценить ошибку МЛР только при наличии единственного источника помех.

На основании проведенного обзора известных методов измерения ошибки МЛР и технических требований на систему инструментальной посадки ВС были обозначены следующие задачи настоящего исследования:

- разработка новых методов оценивания и прогнозирования дисперсии ошибок МЛР при комплексной фильтрации навигационных данных, которые учитывают низкочастотную составляющую ошибки МЛР;

- исследование спектра ошибок МЛР в спутниковой навигационной системе;

- исследование влияния комплексной обработки сигналов на ошибки МЛР;

- разработать методы определения и прогнозирования дисперсии ошибок МЛР, которые могут применяться как в ЛККС, так и на борту ВС.

Во второй главе предложен специальный измеритель ошибки МЛР на основе измерений ОСШ, а также проведен расчет точности предложенного метода измерения ошибки МЛР.

Измерение ОСШ, выдаваемое навигационным приемником, используется для расчета шумовой составляющей измерений псевдодальности при оценке целостности и в обычных измерителях сильно подвержено МЛР. Опираясь на технику использования корреляторов со специальной формой строба в схеме слежения за задержкой кода (ССЗК), оценку ошибки МЛР можно получить на основе сопоставления оценок ОСШ, вычисленных при установке стробов коррелятора по переднему и заднему фронту элементарного символа дальномерного кода.

В современных навигационных приемниках для повышения точности используются так называемые "узкие" корреляторы, широкополосные приемные тракты и предлагаются различные методы борьбы с МЛР, связанные с усложнением формы стробов навигационного приемника. В ССЗК с узким коррелятором ошибка, создаваемая МЛР, практически не зависит от задержки отраженного сигнала. Если использовать узкий строб коррелятора, установленный по переднему фронту одного элементарного символа, оценка ОСШ меньше зависит от помех МЛР по сравнению с оценкой, формируемой обычным измерителем с широким стробом. Предполагая, что сигналы МЛР С(т) по

времени всегда запаздывают и их мощность меньше мощности "прямого" сигнала С,

можно снизить влияние многолучевости на оценку ОСШ путем установки опережающе го узкого строба коррелятора СЕ по переднему фронту элементарного символа сигнала С (рис.1). Оценка ОСШ, формируемая с помощью коррелятора с задержанным узким стробом С1, подвержена влиянию помех МЛР. Сравнивая оценки СЕ и Сь, можно определить мощность сигналов МЛР.

Проведенное моделирование метода измерения оценок ОСШ от относительного уровня сигнала МЛР т и его задержки г показало, что при задержке МЛР в пределах т = 0.2элементарного символа кода, стробовый измеритель формирует оценку , не зависящую от уровня МЛР (рис.2а). Пока ошибки МЛР находятся в диапазоне

от г = 0^-0.8 элементарного символа кода, измеритель оценки ¡¡ИЯЬ формирует оценку смеси сигнала с ошибками МЛР, которая не зависит от их задержки (рис.2б). Незначительная нелинейность оценки от т в области т > 0.4 объясняется смещением нуля дискриминационной характеристики следящей системы, которое можно снизить путем усложнения формы строба.

Рис.2 Зависимость оценок ОСШ от уровня сигнала МЛР и его задержки

-'ОТ

С

"ЛГ

Лга

с,

с.

Рис.1. Привязка стробов измерителя к элементам принимаемого сигнала С и отраженного сигнала С(г)

Суммарная относительная ошибка измерения уровня МЛР <т для предложенного специального измерителя составляет:

1

1

2М ( SNR, SNR

1

Е

1

1

(1)

ЯШ,:

где М - число отсчетов квадратурных составляющих в корреляторе навигационного приемника. Приращение амплитуды из-за действия помехи МЛР можно представить в виде т = Аъ!А- \, где АТ - амплитуда суммы полезного сигнала А и сигнала МЛР. На рис.3 показан результат расчета относительной ошибки измерения <7 от уровня МЛР для М = 20, п = 10, т-— 0.5 + 0.5 и коэффициента потерь х = 2.

Вычисление 5Л7? выполнялось по формуле SNR = (2-Т/х, где <2 - энергетический потенциал, Т - время накопления, равное 1 мс. Наибольший вклад в относительную ошибку измерения (1) вносит составляющая, соответствующая стробу, установленному по заднему фронту элементарного символа кода.

0.25

Q, дБ-Гц m

Рис.3 Суммарная относительная ошибка измерения уровня МЛР

Показана возможность реализации измерителя ошибок МЛР на основе сравнения оценок ОСШ, вычисленных по переднему и заднему фронту элементарного символа дальномерного кода. Показано, что суммарная относительная ошибка измерения уровня МЛР составляет не более 0.017 при уровне энергопотенциала 60 дБ ■ Гц, а в области значений энергопотенциала меньше 40 дБ ■ Гц резко возрастает до 0.5 при уровне сигнала МЛР 0.5 и 1.5 при уровне сигнала МЛР -0.5. Точность измерения уровня МЛР можно повысить путем увеличения точности оценки мощности шума с использованием измерений всех каналов навигационного приемника. Предложенный измеритель в области больших значений ОСШ позволяет формировать оценку уровня помехи МЛР, которая не зависит от их задержки, если они имеют задержку больше ширины строба измерителя и уровень меньше полезного сигнала.

В предложенном измерителе ошибок MJIP использование узких стробов коррелятора приводит к потерям в измерении ОСШ по сравнению с обычным измерителем. При длительности узкого строба коррелятора 1/п от длительности элементарного символа кода, значение ОСШ падает в л-раз. Для уменьшения инструментальной погрешности следует использовать усреднение после измерения.

Преимущество предлагаемого метода заключается в возможности измерения ошибки при низкой или нулевой частоте ошибки МЛР, при которой нельзя использовать методы измерения ошибки МЛР полосовым фильтром и корреляционным методом.

Недостатком предложенного способа измерения уровня сигналов МЛР является необходимость изменения конструкции приемника и невозможность получения эффективной оценки при наличии сигналов МЛР с задержками, меньшими длительности узкого строба коррелятора СЕ.

В третьей главе проведена оценка влияния комплексной фильтрации на оценки псевдодальности путем исследования спектра ошибок МЛР. Предложен метод расчета сдвига доплеровских частот ошибок МЛР на ЛККС для систем GPS и ГЛОНАСС. Проведена оценка влияния скорости вращения Земли на уровень ошибок МЛР, исследовано влияние смещения приемника потребителя относительно плоскости орбиты спутника на ошибки МЛР, выполнен расчет по оценке диффузионной составляющей ошибки МЛР для систем GPS и ГЛОНАСС.

Для исследования спектра ошибок МЛР был рассмотрен случай расположения приемника П в плоскости орбиты спутника С. Было показано, что в аппаратуре потреби-

> С

Y

теля с комплексной фильтрацией измерений псевдодальности, применение комплексного фильтра сводит форму области поверхности, создающей ошибки МЛР, к полосе, ширина которой Ас1ф определяется полосой пропускания комплексного фильтра (рис.4). На рисунке система координат ХОУ распо-

Ф

Рис.4 Область поверхности, создающая ложена так, что оси X и У расположе-ошибки МЛР, при комплексной фильтрации

ны по касательным к поверхности Земли с центром в точке 0.

В результате площади областей, создающих существенные ошибки МЛР при комплексной фильтрации, в канале стандартной точности систем ГЛОНАСС и GPS различаются не в четыре раза, а в 1.5+1.8 раза.

Анализ зависимости ошибки МЛР от задержки помехи при кодо-фазовой фильтрации показал, что при малых углах места спутника (р < 20° наиболее опасны сигналы, отраженные от местных предметов типа вертикальной стены. Значение сдвига доплеров-ских частот для таких сигналов невелико (0.01+0.03 Гц для GPS и 0.02 + 0.07 Гц для ГЛОНАСС) и эффективность комплексной фильтрации ошибок МЛР снижается.

Было показано, что совместное использование узкого коррелятора и комплексного фильтра дает эффект подобный применению коррелятора со сложной формой строба. На рис.5 ошибке системы с узким коррелятором без комплексной фильтрации соответствует график а), ошибке системы с коррелятором со специальной формой строба - б), графики в) и г) - действию помехи по верхнему и нижнему лучам в системе с узким коррелятором и комплексным ко-до-фазовым фильтром с постоянной времени 100 с.

При совместном использовании коррелятора со сложной формой строба и комплексного фильтра заметное улучшение достигается только при малых углах места спутника и в среднем выигрыш по сравнению с узким коррелятором невелик.

Оценка влияния скорости вращения Земли на уровень ошибок МЛР показала, что ошибки МЛР возрастают в среднем на 10-20%. Влияние скорости вращения Земли на уровень ошибок МЛР в системе ГЛОНАСС меньше, чем в GPS, так как в системе ГЛОНАСС используются орбиты с большим наклонением.

Рис.5 Зависимость ошибки измерения псевдодальности от задержки отраженного сигнала для системы GPS

Показано, что смещение приемника П относительно плоскости орбиты спутника на угол вш приводит к тому, что положение оси доплеровской частоты /д от отраженных сигналов не совпадает с направлением на спутник. На рис.ба показан случай отсутствия смещения 0т = 0°, ось /д совпадает с направлением на спутник. При вал Ф 0° (рис.66), по мере уменьшения угла места <р до 5°, угол поворота оси доплеровской частоты у достигает значений 60° -5-70°. При этом положение оси /д не совпадает с направлением на спутник. На рисунке у/ - угол азимута спутника С.

Таким образом, область, создающая существенные ошибки MJIP, разворачивается и удлиняется, при этом в нее попадают объекты, создающие опасные низкочастотные ошибки MJIP, которые не ослабляются комплексным фильтром.

Расчет диффузионной составляющей ошибки MJIP для систем GPS и ГЛОНАСС показал, что использование кодо-фазового фильтра с постоянной времени 100 с приводит к ослаблению диффузионной составляющей ошибки МЛР и при угле места спутника <р = 90° составляет 23 + 25 дБ. При снижении угла места степень подавления диффузионной составляющей снижается до 12-ИЗдБ. При этом в системе ГЛОНАСС комплексный фильтр обеспечивает снижение диффузионной составляющей на 1-Й.2 дБ больше, чем в GPS из-за более высокой скорости движения спутников.

В четвертой главе проведено усовершенствование известного метода прогнозирования черессуточной повторяемости ошибки МЛР на ЛККС для системы ГЛОНАСС. Так как период обращения спутников в ГЛОНАСС не совпадает с длительностью солнечных суток, для расчета момента наблюдения повторной конфигурации созвездия

а)

I б) *

Рис.6 Зависимость положения области помех МЛР от д.

С

СМ

спутников использовался сдвиг спутников на 1/8 периода в одной орбитальной плоскости 11.26ч* (2 +1/8) = 23 ч. 56 мин.

Результаты экспериментального исследования черессуточной повторяемости ошибки МЛР на ЛККС подтверждают возможность построения диаграммы объемного распределения прогнозируемой дисперсии наземной ошибки МЛР и определения прогнозируемой дисперсии наземной ошибки МЛР для каждого спутника в соответствии с его угловыми координатами. Показано, что в системе ГЛОНАСС точность оценки прогнозируемой дисперсии наземной ошибки МЛР оказывается ниже, что связано с меньшей точностью совпадения орбит спутников.

Известные методы не применимы для оценки ошибок МЛР на борту ВС из-за быстрого изменения угловой ориентации спутников при маневрировании ВС. Для бортовой аппаратуры ВС был предложен метод расчета помех МЛР с использованием эфеме-ридных данных. При этом для оценки помех МЛР используется существующая программа эфсмеридного расчета. Так как эфемеридные данные вычисляются непрерывно, можно оценивать влияние помех МЛР в реальном времени в бортовой аппаратуре ВС с незначительными программными затратами. Если производные доплеровской частоты /д по координатам х и у обозначить, как Э/д/дх и Э/д/Эу, модуль вектора скорости

изменения доплеровской частоты |/д| и его направление у можно представить в виде:

На примере систем GPS и ГЛОНАСС показано, что при прогнозировании дисперсии ошибок МЛР при комплексной кодо-фазовой фильтрации существенным оказывается влияние направления оси изменения доплеровской частоты и положение области опасных низкочастотных ошибок МЛР.

На рис.7 показан пример расчета зависимости от времени скорости изменения доплеровской частоты /л спутника системы ГЛОНАСС №1 02-04-2009, выполненный по принятым эфемеридным данным. На этом же рисунке показан график угла места (р, полученный из приемника.

80 - <Р

—/д

9 60 -

& У?

40 /V /V У/

//

20 - // у У

/ /

0 1 1

0.8 8

> 3

и &

О.б

8000 10000 16000 18000 с

Рис.7 Зависимость скорости изменения доплеровской частоты и угла места для спутника ГЛОНАСС от времени

300

250

200

150

Г 0 -—V а 1

_ у, \

, \ — г

\ 1

N N

N Ч 1 ч

■■ ч ч 1111 1 1

230 200 170 140 110

8000 10000 16000 18000

Рис.8 Зависимость направления оси изменения доплеровской частоты для спутника ГЛОНАСС от времени

Для этого примера вычислена зависимость от времени направления оси изменения доплеровской частоты у (рис.8). Там же приведена зависимость угла азимута спутника у/, выработанного приемником.

В момент времени угол у- 132° (рис.9а) и помехи МЛР от стабилизатора ВС ослабляются. В момент времени ге угол сдвига у= 220° (рис.9б) при этом частота отражения от стабилизатора окажется в полосе пропускания кодо-фазового фильтра, и ослабления помехи МЛР не происходит.

У

Рис.9 Влияние направления оси изменения доплеровской частоты для спутника ГЛОНАСС №1 02-04-2009

Расчеты для кодо-фазового фильтра с постоянной времени 100 с показали, что при расстоянии между приемной антенной и стабилизатором ВС, равным 25 м, дисперсия ошибки MJIP изменяется в пределах от 0 до -20,4 дБ для GPS и от 0 до -23 дБ для ГЛОНАСС.

Для прогнозирования опасных отражений при комплексной обработке в реальном времени предложено использовать диаграммы бистатической эффективной поверхности рассеяния элементов корпуса ВС и данные об угловом положении спутника относительно координатной системы, привязанной к корпусу ВС.

В пятой главе представлены результаты экспериментального исследования спектров ошибок МЛР в каналах стандартной и высокой точности и сравнение спектров ошибок МЛР в ССЗК с узким коррелятором и коррелятором со сложной формой строба при использовании комплексной фильтрации в системе GPS и ГЛОНАСС.

Подтверждено экспериментально, что без использования комплексного фильтра в системах ГЛОНАСС и GPS ширина спектров ошибок МЛР в канале ВТ меньше, чем в канале СТ, так как более коротким элементарным символам кода в канале ВТ соответствуют ошибки МЛР с меньшим максимальным доплеровским сдвигом. Использование комплексной фильтрации кодовых измерений псевдодальности приводит к тому, что низкочастотная составляющая спектров ошибки МЛР в каналах СТ и ВТ отличается незначительно (рис.10).

0.02

без фильтра с фильтром

0.02

1 0.01

s <

без фильтра с фильтром

P'j

0.05

б)

0.1 0.15 Частота, Ги

0.2

Рис.10 Спектры разности кодовых и фазовых отсчетов псевдодальности для спутника GPS №23 08-04-2009 в каналах СТ (а) и ВТ (б) на частоте L1

Подтверждено экспериментально, что при использовании комплексной фильтрации кодовых измерений псевдодальпости различие между системами ГЛОНАСС и GPS становится незначительным, несмотря на то, что ширина элементарного символа кода в канале СТ в системе ГЛОНАСС в два раза больше, чем в GPS. При сравнении траектории спутников подбирались близкими по углу места. Угол места спутника ГЛОНАСС изменялся в диапазоне 27° +87° +79*, а спутника GPS - 41°+83°+73°. СКО разности кодовых и фазовых отсчетов псевдодальности без использования комплексной кодо-фазовой фильтрации с постоянной времени 100 с на частоте L1 для спутника ГЛОНАСС составила 0.89 м, для спутника GPS - 0.46 м. При использовании комплексной фильтрации СКО разности кодовых и фазовых отсчетов псевдодальности на частоте L1 в канале СТ для спутника ГЛОНАСС составила 0.28 м, для спутника GPS в канале СТ - 0.26 м.

Подтверждено экспериментально, что применение коррелятора со специальной формой строба вместе со снижением ошибок МЛР приводит к возрастанию широкополосной составляющей шумовой ошибки (рис.11а). В приемнике фирмы Javad режим работы ССЗК с узким коррелятором обозначается "normal", а с коррелятором со специальной формой строба - "mpnew".

0.04

normal mpnew

0.04

0.03 -

normal+фильтр mpnew+фильтр

0.02 -

s <

0.01

a)

0.1

Частота, Гц

б)

0.05 Частота, Гц

Рис.11 Спектры разности кодовых и фазовых отсчетов псевдодальности для спутника GPS №8 13-05-2009 в канале СТ на частоте L1

Если отсчеты псевдодальности подвергаются комплексной кодо-фазовой фильтрации, то различие спектров для режимов работы с узким коррелятором и коррелятором со специальной формой строба становится незначительным (рис.116).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Предложен метод оценки ошибок МЛР специальным измерителем на основе двухка-нального измерителя ОСШ с узкими стробами, который позволяет измерять ошибки МЛР при низком или нулевом сдвиге доплеровской частоты ошибки МЛР, при котором нельзя использовать методы измерения ошибок МЛР полосовым фильтром и корреляционным методом.

2. Установлена связь сдвига доплеровской частоты отраженного сигнала и его задержки при различном положении приемника потребителя относительно плоскости орбиты спутника.

3. Показано и подтверждено экспериментально, что при комплексной фильтрации измерений псевдодальности в аппаратуре потребителя спутниковой системы совместное использование узкого коррелятора и комплексного фильтра дает эффект подобный применению коррелятора со сложной формой строба.

4. Показано, что ширина спектра ошибок МЛР зависит от длительности элементарного символа кода. Подтверждено экспериментально, что при комплексной фильтрации измерений псевдодальности в аппаратуре потребителя спутниковой системы спектр ошибок МЛР в области низких частот в каналах СТ в системах ГЛОНАСС и GPS отличается незначительно, несмотря на то, что ширина элементарного символа кода в системе ГЛОНАСС в два раза больше, чем в GPS. На основе экспериментальных данных для выбранных спутников ГЛОНАСС и GPS с близкими траекториями показано, что среднеквадратическое отклонение разности кодовых и фазовых отсчетов псевдодальности на частоте L1 для спутника ГЛОНАСС в канале СТ составило 0.28 м, а для спутника GPS - 0.26 м.

5. Предложен метод расчета помех МЛР при комплексной обработке с использованием эфемеридных данных. При этом для оценки помех МЛР используется существующая программная часть навигационного приемника. На примере систем GPS и ГЛОНАСС показано, что при прогнозировании дисперсии ошибок МЛР при комплексной обработке существенным оказывается учет направления оси изменения доплеровской частоты и положение области опасных низкочастотных ошибок МЛР. Расчеты для кодо-фазового фильтра с постоянной времени 100 с показали, что при расстоянии между приемной антенной и стабилизатором ВС, равным 25 м, дисперсия ошибки, создаваемой отражением от стабилизатора, при движении спутника изменяется в пределах от 0 до -20,4 дБ для GPS и от 0 до -23 дБ для ГЛОНАСС.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Статьи, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Шарыпов, А А. Исследование эффективности коррекции скачков фазовых измерений при формировании дифференциальных поправок в глобальной навигационной системе [Текст] / Юрченко Ю.С., Чистякова С.С., Шарыпов A.A. // Известия Государственного электротехнического университета. / СПбГЭТУ "ЛЭТИ", - 2006. - Вып. 2: Радиоэлектроника и телекоммуникации. - С.32-36.

2. Шарыпов, A.A. Исследование точности измерения ошибок от действия переотражений в аппаратуре потребителя глобальной навигационной спутниковой системы [Текст] / Юрченко Ю.С., Шарыпов A.A. // Известия высших учебных заведений России. / СПбГЭТУ "ЛЭТИ", - 2009. - Вып. 3: Радиоэлектроника. - С.56-60.

Другие работы:

3. Шарыпов, A.A. Формирование дифференциальных поправок псевдодальносей с коррекцией фазовых измерений [Текст] / Соколов А.И., Чистякова С.С, Шарыпов, A.A. // 61-я Научно-техническая конференция посвященная Дню радио, СПбГЭТУ "ЛЭТИ", - 2006. СПб., апр. 2006 г. - С.21-23.

4. Шарыпов, A.A. Исследование методов оценки ошибок от переотражений при формировании поправок в базовой станции дифференциальной спутниковой системы [Текст] / 62-я Научно-техническая конференция посвященная Дню радио, СПбГЭТУ "ЛЭТИ", - 2007. СПб., апр. 2007 г. - С.34-35.

5. Шарыпов, A.A. Оценка точности измерения переотражений в аппаратуре потребителя глобальной навигационной спутниковой системы [Текст] / 63-я Научно-техническая конференция посвященная Дню радио, СПбГЭТУ "ЛЭТИ", - 2008. СПб., апр. 2008 г. - С.48-50.

6. Шарыпов, A.A. Исследование методов оценивания ошибок от действия переотражений в глобальной навигационной спутниковой системе [Текст] / 64-я Научно-техническая конференция посвященная Дню радио, СПбГЭТУ "ЛЭТИ", - 2009. СПб., апр. 2009 г. - С.28.

7. Шарыпов, A.A. Исследование влияния фильтрации на ошибки многолучевого распространения в глобальной навигационной спутниковой системе [Текст] / 65-я Научно-техническая конференция посвященная Дню радио, СПбГЭТУ "ЛЭТИ", - 2010. СПб., апр. 2010 г. -С.38-39.

Подписано в печать 19.01.11. Формат 60*84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 2.

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

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

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ ОШИБОК МЛР.

1.1 Принципы построения системы инструментальной посадки, ЛККС.

1.2 Алгоритм контроля целостности.

1.3 Модификация схемы слежения за задержкой, использование коррелятора со сложной формой строба.

1.4 Измерение ошибок МЛР с помощью полосового фильтра.

1.5 Выделение ошибки МЛР корреляционным методом.

1.6 Постановка задачи исследования.

2. ИЗМЕРЕНИЕ ОШИБОК МЛР С ПОМОЩЬЮ СПЕЦИАЛЬНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ.

2.1 Оценка ошибок МЛР на основе измерений отношения сигнал-шум

2.2 Оценка точности измерения ошибок МЛР.

2.3 Выводы по главе.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ

НА ОШИБКИ МЛР.

3.1 Исследование сдвига доплеровских частот ошибок МЛР.

3.2 Исследование влияния комплексной фильтрации на ошибки

3.3 Эффективность подавления ошибки МЛР в корреляторе со специальной формой строба.

3.4 Исследование влияния скорости вращения Земли на ошибки

3.5 Исследование влияния смещения приемника потребителя относительно плоскости орбиты спутника на ошибки МЛР.

3.6 Влияние комплексной фильтрации на интенсивность диффузионной составляющей ошибок МЛР.

3.7 Выводы по главе.

4. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОМЕХ МЛР В СИСТЕМЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ ПОСАДКИ.

4.1 Исследование черессуточной повторяемости ошибки МЛР на ЖКС.

4.2 Использование эфемеридного расчета для оценки доплеровских частот помех МЛР.

4.3 Прогнозирование доплеровских частот помех МЛР на борту

4.3.1. Прогнозирование доплеровских частот помех МЛР для системы GPS.

4.3.2. Прогнозирование доплеровских частот помех МЛР для системы ГЛОНАСС.

4.4 Выводы по главе.

5. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ.

5.1 Сравнение спектров ошибок МЛР в каналах стандартной и высокой точности.

5.2 Сравнение спектров ошибок МЛР в системах слежения с узким коррелятором и коррелятором со сложной формой строба.

5.3 Выводы по главе.

Целью работы является исследование и разработка методов измерения и прогнозирования ошибок многолучевого распространения в системе инструментальной посадки воздушного судна с использованием глобальной навигационной спутниковой системы.

Актуальность работы. В соответствии с планами международной организации гражданской авиации спутниковые навигационные системы должны стать основным средством навигации в авиации. Дифференциальный режим работы аппаратуры потребителей позволяет реализовать высокоточный режим навигации и посадки воздушных судов (ВС). Для этого аппаратура потребителей глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС), состоящей из систем GPS и ГЛОНАСС, используется совместно с локальными системами функционального дополнения - локальными контрольно-корректирующими станциями (JIKKC). JIKKC вырабатывает дифференциальные поправки, выполняет функции контроля работоспособности навигационных спутников и вырабатывает информацию о целостности и точности.

Для решения задачи контроля целостности в наземной и бортовой аппаратуре должны контролироваться ошибки измерений, создаваемых в основном шумовыми помехами и многолучевым распространением (MJIP) сигналов, и вырабатываться оценки дисперсии ошибок измерения псевдодальностей в JIKKC и бортовом приемнике. При посадке ВС должно удерживаться в коридоре, который определяется допустимыми ошибками. При выходе за границы ошибок пилот должен получать предупреждение о потере целостности навигационных измерений.

В технических требованиях на систему инструментальной посадки ВС [3] отсутствуют рекомендации по методам оценивания ошибок МЛР и дисперсии ошибок дифференциальных поправок, поэтому актуальной является проблема контроля величины дисперсии ошибок МЛР в оборудовании ЛККС и бортовом приемнике ВС.

Известные методы измерения дисперсии ошибок МЛР основаны на длительных наблюдениях и требуют использования узкополосных фильтров с большими постоянными времени. При этом отбрасывается низкочастотная составляющая ошибки МЛР. Подобные методы могут использоваться на ЛККС благодаря периодическому повторению помех МЛР для построения карты помех, однако они не пригодны для оперативной оценки ошибок МЛР на борту маневрирующего ВС. Ограниченность известных алгоритмов обуславливает актуальность разработки новых методов оценивания и прогнозирования дисперсии ошибок МЛР при комплексной фильтрации навигационных данных, которые учитывают низкочастотную составляющую ошибки МЛР и могут быть применены как в ЛККС, так и на борту ВС.

В первой главе проведен обзор принципов построения спутниковой системы инструментальной посадки и использования ЛККС в задаче контроля целостности, на основании которого показано, что основными ошибками дифференциальных поправок являются ошибки МЛР и шумы кодовых измерений псевдодальности на ЛККС и на борту ВС. При этом в соответствии с техническими требованиями на систему инструментальной посадки ВС для контроля целостности необходимо выполнять оценивание дисперсий ошибок дифференциальных поправок и ошибок измерения координат на борту ВС. В то же время, отсутствуют рекомендации способов определения дисперсий этих ошибок и в частности, ошибок МЛР в наземном и бортовом оборудовании посадки.

Известные методы измерения дисперсии ошибок МЛР основаны на длительных наблюдениях и требуют использования узкополосных фильтров с большими (сотни секунд) постоянными времени. Подобные методы могут использоваться на ЛККС благодаря периодическому повторению помех МЛР для построения "карты помех", однако они не пригодны для оперативной оценки ошибок MJ1P на борту маневрирующего ВС.

В связи с перспективой использования спутниковой информации в системах посадки II и III категории возрастают требования к контролю целостности навигационных измерений. При этом в современном спутниковом оборудовании начинает широко внедряться комплексирование с инерциальными навигационными средствами.

Рассмотренные в главе метод измерения ошибки MJIP с помощью полосового фильтра и корреляционный метод позволяют оценивать и прогнозировать только дисперсию наземной ошибки MJ1P в JIKKC. При этом отбрасывается низкочастотная составляющая ошибки MJIP. Кроме того, корреляционный метод выделяет лишь сильно коррелированную составляющую ошибки MJIP и позволяет оценить ошибку MJIP только при наличии единственного источника помех.

На основании проведенного обзора известных методов измерения ошибки MJIP и технических требований на систему инструментальной посадки ВС были обозначены следующие задачи настоящего исследования:

- разработка новых методов оценивания и прогнозирования дисперсии ошибок МЛР при комплексной фильтрации навигационных данных, которые учитывают низкочастотную составляющую ошибки МЛР;

- исследование спектра ошибок MJIP в спутниковой навигационной системе;

- исследование влияния комплексной обработки сигналов на ошибки MJIP;

- предложенные методы определения и прогнозирования дисперсии ошибок МЛР должны быть применимы как в JIKKC, так и на борту ВС.

Во второй главе предложен специальный измеритель ошибки многолучевого распространения на основе измерений отношения сигнал-шум, а также проведен расчет точности предложенного метода измерения ошибки многолучевого распространения.

В третьей главе проведена оценка влияния комплексной фильтрации на оценки псевдодальности путем исследования спектра ошибок многолучевого распространения. Предложен метод расчета сдвига доплеровских частот ошибок многолучевого распространения на локальной контрольно-корректирующей станции для систем GPS pi ГЛОНАСС. Проведена оценка влияния скорости вращения Земли на уровень ошибок многолучевого распространения, исследовано влияние смещения приемника потребителя относительно плоскости орбиты спутника на ошибки многолучевого распространения, выполнен расчет по оценке диффузионной составляющей ошибки многолучевого распространения для систем GPS и ГЛОНАСС.

В четвертой главе проведено исследование известного метода прогнозирования черессуточной повторяемости ошибки многолучевого распространения на локальной контрольно-корректирующей станции для системы ГЛОНАСС и разработан метод расчета и прогнозирования доплеровских частот помех многолучевого распространения на борту маневрирующего воздушного судна с использованием реальных эфемеридных данных спутников GPS и ГЛОНАСС при комплексной обработке навигационных измерений.

В пятой главе представлены результаты экспериментального исследования спектров ошибок многолучевого распространения в каналах стандартной и высокой точности и сравнение спектров ошибок многолучевого распространения в системах слежения с узким коррелятором и коррелятором со сложной формой строба при использовании комплексной фильтрации в системе GPS и ГЛОНАСС.

На защиту выносятся следующие положения:

- оценку ошибки многолучевого распространения можно получить с помощью специального двухканального измерителя отношения сигнал-шум;

- сдвиг доплеровской частоты отраженного' сигнала зависит от его задержки и направленияприхода;

- результат комплексной фильтрации измерений псевдодальности в аппаратуре потребителя спутниковой системы подобен применению коррелятора со специальной формой строба;

- прогнозирование положения области пространства, создающей низкочастотные ошибки многолучевого распространения можно реализовать на основе эфемеридного расчета- в аппаратуре потребителя систем GPS и ГЛОНАСС;

- ширина спектра ошибок многолучевого распространения зависит от длительности элементарного символа кода. Интенсивность спектра ошибок многолучевого распространения в области низких частот почти не зависит от длительности элементарного символа кода.

Основные положения диссертационной работы представлялись и обсуждались на:

- 61 - 65-й научно-технических конференциях, посвященной Дню радио, С.-Петербург, СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2006 - 2010 гг.

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

- научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2007 - 2010 гг.

Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 7 работах, среди которых 2 публикации в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав с выводами и практическими рекомендациями, заключения. Она изложена на 130 страницах машинописного текста, включает 77 рисунков, 1 таблицу, и содержит список литературы из 44 наименования, среди которых 22 отечественных и 22 иностранных авторов.

5.3 Выводы по главе

1. Подтверждено экспериментально, что без использования комплексного фильтра в системе GPS ширина спектров ошибок МЛР в канале ВТ меньше, чем в канале СТ, так как более коротким элементарным символам кода в канале ВТ соответствуют ошибки МЛР с меньшим максимальным доплеровским сдвигом. Использование комплексной фильтрации кодовых измерений псевдодальности приводит к тому, что низкочастотная составляющая спектров ошибки MJIP в каналах СТ и ВТ отличается незначительно.

2. Подтверждено экспериментально, что при использовании комплексной фильтрации кодовых измерений псевдодальности различие между системами-ГЛОНАСС и GPS становится, незначительным, несмотря на то, что ширина элементарного символа кода в системе ГЛОНАСС в два раза больше, чем в GPS. СКО разности кодовых и фазовых отсчетов псевдодальности без использования комплексной кодо-фазовой фильтрации с постоянной времени 100 с на частоте L1 для спутника ГЛОНАСС в канале СТ составила 0.89 м, для спутника GPS в канале СТ - 0.46 м. При использовании комплексной фильтрации СКО разности кодовых и фазовых отсчетов псевдодальности на частоте L1 для спутника ГЛОНАСС в канале СТ составила 0.28 м, для спутника GPS в канале СТ - 0.26 м.

3. Подтверждено экспериментально, что применение коррелятора со специальной формой строба вместе со снижением ошибок МЛР приводит к возрастанию широкополосной составляющей шумовой ошибки. Таким образом, при незначительном выигрыше от использования коррелятора со сложной фирмой строба по сравнению с узким коррелятором и комплексным фильтром помехоустойчивость в режиме работы с коррелятором со специальной формой строба снижается.

4. Таким образом, использование коррелятора со сложной формой строба в системах GPS и ГЛОНАСС становится оправданным только в случае снижения эффективности подавления помех МЛР в режиме работы с узким коррелятором и комплексной фильтрацией отсчетов псевдодальности, если удовлетворяются требования по помехоустойчивости.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По итогам проведенных исследований получены следующие научные результаты.

1. Предложен метод оценки? ошибок МЛР специальным измерителем на основе двухканального измерителя ОСШ с узкими стробами, который позволяет измерять ошибки МЛР при низком или нулевом сдвиге допле-ровской частоты ошибки МЛР, при котором нельзя использовать методы измерения ошибок МЛР полосовым, фильтром и корреляционным методом.

2. Установлена связь сдвига доплеровской частоты отраженного сигнала и его задержки при различном положении приемника потребителя относительно плоскости орбиты спутника.

3. Показано и подтверждено экспериментально, что при комплексной фильтрации измерений псевдодальности в аппаратуре потребителя спутниковой системы совместное использование узкого коррелятора и комплексного фильтра дает эффект подобный применению коррелятора со сложной формой строба.

4. Показано, что ширина спектра ошибок многолучевого распространения зависит от длительности элементарного символа кода. Подтверждено экспериментально, что при комплексной фильтрации измерений псевдодальности в аппаратуре потребителя спутниковой системы спектр ошибок МЛР в области низких частот в каналах СТ в системах ГЛОНАСС и GPS отличается незначительно, несмотря на то, что ширина элементарного символа кода в системе ГЛОНАСС в два раза больше, чем в GPS. На основе экспериментальных данных для выбранных спутников ГЛОНАСС и GPS с близкими траекториями показано, что среднеквадратиче-ское отклонение разности кодовых и фазовых отсчетов псевдодальности на частоте L1 для спутника ГЛОНАСС в канале СТ составило 0.28' м, а для спутника GPS - 0.26 м. 5. Предложен метод расчета помех МЛР при комплексной обработке с использованием эфемеридных данных. При этом для оценки помех МЛР используется существующая программная часть навигационного приемника. На примере систем GPS и ГЛОНАСС показано, что при прогнозировании дисперсии, ошибок МЛР при комплексной обработке существенным оказывается учет направления оси изменения доплеровской частоты и положение области опасных низкочастотных ошибок МЛР. Расчеты для кодо-фазового фильтра с постоянной времени 100 с показали, что при расстоянии между приемной антенной и стабилизатором ВС, равным 25 м, дисперсия ошибки, создаваемой отражением от стабилизатора, при движении спутника изменяется в пределах от 0 до -20,4 дБ для GPS и от 0 до -23 дБ для ГЛОНАСС. Таким образом, в качестве альтернативы известным методам оценки ошибки МЛР при возможности изменения конструкции-навигационного приемника предлагается использовать специальный измеритель на основе двухканаль-ного измерителя ОСШ, который позволяет измерять ошибки МЛР при низком или нулевом сдвиге частоты ошибки МЛР.

На основе проведенного исследования спектра ошибок МЛР в спутниковой навигационной системе предложен метод прогнозирования положения области пространства, создающей низкочастотные ошибки МЛР, который не требует существенного изменения программного обеспечения приемника. Предложенные методы можно использовать как в ЛККС, так и на борту ВС. Исследование влияния комплексной фильтрации навигационных измерений на ошибки МЛР показало, что применение коррелятора со специальной формой строба эффективно только при малых углах места спутника. Как следует из полученных результатов, цель, поставленная в работе, полностью достигнута.

Полученные результаты могут быть использованы:

- для определения дисперсии ошибок дифференциальных поправок в ЛКЕСС и измерений псевдодальности на борту ВС для реализации алгоритма предупреждения пилота о недопустимом снижении точности определения координат ВС при категорированном заходе на посадку по сигналам глобальной навигационной спутниковой системы;

- для построения "карты помех" в ЛКЕСС с учетом низкочастотной составляющей ошибки МЛР;

- для оценки и прогнозирования опасных низкочастотных отражении при комплексной фильтрации навигационных данных на борту ВС.

Исследование целесообразно продолжить в следующих направлениях:

- экспериментальная проверка построения "карты помех" в ЛКЕСС с помощью специального двухканального измерителя ОСШ;

- экспериментальная проверка на борту ВС метода прогнозирования положения области пространства, создающей низкочастотные ошибки МЛР на основе эфемеридных данных.

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