автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Математические методы расчета интегральных и точностных характеристик навигационного поля, создаваемого шлобльными спутниковыси системами "ГЛОНАСС" и GPS

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ. ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

РАСПОПИН ЕВГЕНИЙ ИВАНОВИЧ

УДК 621.396.98(100)

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА ИНТЕГРАЛЬНЫХ И ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НАВИГАЦИОННОГО ПОЛЯ, СОЗДАВАЕМОГО ГЛОБАЛЬНЫМИ СПУТНИКОВЫМИ СИСТЕМАМИ ТЛОНАСС" И GPS.

05.13.16 - применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (по

отраслям наук)

• АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА - 1992

Работа выполнена на кафедре управления и эффективности спецсист Московского физико-технического института

Научные руководители: академик Федосов Е.А. к.т.н., ст.н.с. Морозов А Н.

Официальные оппоненты: д.т.н., профессор Богуславский И.А. д.т.н., профессор Чмых М.К.

Ведущая организация: Научно-производственное объединение прикладной механики

Защита состоится " " 1992 г. в час. на заседании

специализированного совета К.063.91.11 Московского физико-технического института

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского физико-технического института

Автореферат разослан " " 1992 г.

Учений секретарь специализированного совета: д.ф.-м.н., доцент Самиловский А.И.

»ОССК^СКЛЙ УДАРОТ^Г.КН Ml БИБЛИОТЕКА

Актуальность темы.

Спутниковые навигационные системы (СПС) "ГЛОНАСС" и GPS создавались по закалу Министерств обороны СНГ и США и предназначались в первую очередь для поенных пелен. Однако, п настоящее время появилась возможность совместного использования навигационных полей этих систем гражданскими потребителями. Поэтому СНС приобрели большое значение для организации воздушного движения, так как при полном составе орбитальных группировок ?ти системы обеспечат высокоточную глобальную навигацию и смогут выступать в качестве основного средства местооиределення гражданских самолетов и вертолетов.

В нашей стране исследование вопросов использования СНС для целей гражданской авиации является особенно актуальным. Это связано с необходимостью модернизации системы управления воздушным движением (УВД) России, особенно на Дальнем Востоке и в Сибири. Воздушное пространство »тих регионов имеет исключительное значение для организации международных грузовых" и пассажирских авиаперевозок. Его использование позволит кратчайшим путем связать ораны центральной Европы с Японией н Индокитаем, Юго-Восточную Азию с Северной Америкой, Австралию с Европой и на 30-50% сократить длину многих международных маршрутов, разгрузить ряд напряженных коридоров, отказаться от некоторых трасс, пролегающих в океанических районах и обеспечить возможность облета нестабильных в военно-политическом отношении регионов. Зарубежные авиакомпании, например, из-за ограничений начетов в Восточной и Юго-Восточной Азии, ищут новые центры обслуживания в Восточной части России. Такие аэропорты, как Владивосток, Хабаровск и Магадан, будут играть важную роль в качестве конечных или промежуточных пунктов маршрута. Однако, для осуществления полетов иностранных воздушных судов над территорией Сибири и Дальнего Востока необходима скорейшая модернизация системы УВД, и доведение уровня безопасности полетов до международных стандартов. Следует отметить, что степень покрытия территории Сибири и Дальнего Востока сетью первичных радиолокаторов составляет менее 80%, при практически полном отсутствии вторичных радиолокаторов.

Между большинством районных центров УВД на севере и северо-востоке Сибири нет прямой олератиш .ой связи и даже крупнейшие аэродромы не оснащены какими-либо средствами автоматизированной посадки. При • icm проведение технических работ в этом регионе сопряжено с большими трудностями.

В таких условиях создание системы УВД па основе традиционных методов напиганнн, наблюдения и связи потребует огромных капитальных.

I Д i" у Д ^ =) I

Чг^Б^ЬАЯ-ХАРАК! ЕРИСТИКА РАБОТЫ

вложений н, но оценкам экспертом, займет более 15 лет. В то же время, исмольэоплние перспективных смутннкоиых технологии дни нужд управления воздушным движением позволит супюстнснно сократить сроки модернизации системы при значительном уменьшении затрат.

Для широкомасштабного применения CI 1С в авиатранспортной системе необходимо решить ряд недостаточно исследованных при проектировании СПС проблем, сляпанных с надежностью и безопасностью использования этих систем и относящихся, н норную очередь, к интегральным характеристикам навигационных полей "ГЛО! 1АСС" и GPS, а также к применению дифференциальных мстодоп нлпигацин для улучшения точности мсстоопределения гражданских самолетов при полетах на трассах и нри заходах на посадку. В 'частности, для повышения безопасности полетоп в центрах нллнировлння исиолитоианин воздушного пространства необходим учет изменения и пространственно-временном распределении зон с пониженной точностью навигационных определении, требующий разработки алгоритмического и программного обеспечения, которое позволило бы и центрах планирования оператншю определять интегральные карты аномальных значений геометрических факторов (ГФ). как при раздельном, так и при совместном использовании "Г710НАСС" и GPS.

Целью данной работы является.

1. Исследование навигационных молей "ГЛОПАСС" и GPS и разработка процедур, позволяющих оператншю определять мгновенные и интегральные характеристики этих полей.

2. Определение вероятностно-точностных характеристик навигационного обеспечения потребителей при использовании дифференциальных методов навигации и исследование вопросов, связанных с созданием региональной дифференциальной подсистемы.

3. Разработка методики определения оптимального расположения псевдоспутников в зоне аэропорта.

Научная новизна.

1) При исследовании карт видимости спутниковых навигационных систем применен "метод интервалов видимости", что позволило на порядок сократить время определения мгновенных карт покрытия по сравнению с сеточным методом.

2) Введено понятие ВВ-интервалов и построена процедура, позволяющая производить оценку пространственных границ области, гдэ значения ГФ изменяются не более, чем на один процент, и тем самым значительно сократить объем вычислений нри определении зон аномальных значении

ГФ.

3) Ил основе совместного использовании метода интервалов видимости и процедуры построения ВВ интервалов разработан принципн 1Льио новый метод определения мгновенных и интегральных карт аномальных значений ГФ, который в несколько раз и без потерн точности уменьшает время их расчета но сравнению с традиционными методами.

4) Рассчитаны интегральные характеристики навигационного поля системы ГЛОПАСС и совместного ноля ГЛОПЛСС и GPS для разного состав.! орбитальных группировок.

5) Исследованы проблемы оптимального расположения нсевдо-спутннков в зоне аэропорта с учетом периодической реконфигурации навигационного поля, создаваемого системой "Глонасс".

Практическая значимость.

Результаты диссертационной работы использовались при разработке проекта модернизации технических средств системы УВД Дальнего Востока на базе спутниковых систем навигации и связи, а также при создании математического и программного обеспечения перспективного автоматизированного рабочего места диспетчера УВД. Материалы диссертации используются в работе, связанной с созданием бортового программного обеспечения ИЛ-96.

Алгоритмы, изложенные в работе, реализованы на компьютерах типа VAX, IBM РС/ЛТ-386, что позволяет использовать их на рабочих станциях службы УВД типа TracView, совместного производства фирмы Hughes Aircraft Company (США) и ГосНИИАС.

Апробация работы.

По материалам диссертационной работы сделаны доклады на конференции "Моделирование систем и процессов управления на транспорте" в августе 1991 , на совместном НТС ГосНИИАС - HUGHES AIRCRAFT COMPANY(CllIA) в мае 1992 г.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано три печатные работы.

Структура и обьем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из ... наименовании, списка аббревиатур и двух приложений, в которых приведены таблицы и рисунки. Основной текст диссертации изложен на ... страницах. Приложения занимают ... страниц и содержат ... таблиц и ... рисунков.

з

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований, проведен обзор литературы, сформулирована цель диссертации и кратко излагается основное содержание работы.

В первой главе формализуется процесс навигационных определений с использованием СНС ТЛОНАСС" и GPS, предназначенных для определения координат местоположения, скорости, и времени на самолетах, судах морского и рыболовного флота, и других наземных объектах.

Функционирование СНС основано на беззанросном приеме навигационной аппаратурой потребителя (ПАП) сигналов, непрерывно излучаемых с борта космических аппаратов (КА). По результатам измерений псевдодцлшостн и радиальной псевдоскорости, с учетом эфемеридповременной информации, передаваемой в составе навигационного сигнала с борта каждого спутника, потребитель определяет вектор местоположения и скорости, а также осуществляет привязку своей шкалы времени к шкале времени навигационной системы.

Система уравнений, которая позволяет определить местоположение и скорость потребителя в геоцентрической системе координат, а также временную и частотную поправку часов потребителя, имеет следующий вид:

Vdn=Rcrdr dci+ d3iii

3111 •

(О

V dn=Rcr<V dci-

(2)

где

! = 1 N - число спутников в рабочем созвездии;

- 3-мерный вектор местоположения потребителя; ПС1 - вектор местоположения ¡-го спутника; ||1| | - измеренная псевдодальность от потребителя до ¡-го КА; |<)м1 - расстояние, соответствующее сдвигу шкалы времени потребителя относительно системного времени СНС;

Мс!| - расстояние, соответсвующее савигу бортовой шкалы времени 1-го КА относительно системного времени СНС;

Ыяп!| - расстояние, обусловленное инструментальными погреш-ностями НАП {шум в контуре кодового слежения и ошибки квантования измерений) и задержками при распространении радиоволн. Среди методов решения уравнений (1,2) наибольшее распространение получил линеаризованный метод наименьших квадратов. Система нормальных уравнений в матричной форме имеет следующий вид:

<1Ч=(НТРН)-,НТР- (Ш. (3)

• где

- матрица-столбец поправок к уточняемым параметрам (координаты потребителя и поправка к шкчле времени потребителя, либо составляющие скорости и сдвиг частоты генератора потребителя);

М0 - число уточняемых параметров;

Я=11Я]11 " вектор уточняемых параметров;

qa - априорная оценка вектора я (сЦ=я-яа).

(111=1 |Ш-11Г|| |, вектор невязок навигационных параметров(НП),

где

¡=1,М; N - число КА в рабочем созвездии / Ы>=Мр /;

- измеренное значение НП; ЙГр расчетное значение НП;

НН^/^П (4)

Н - матрица измерений ;

Р • матрица, обратная к ковариационной матрице вектора ошибок измерения НП.

Если предположить, что ошибки измерения НП попарно некоррелированы и имеют одинакопую дисперсию то уравнение (3)

преобразуется к виду:

<1ч=(НтН)-,Нт^Н. (5)

В этом случае ковариационная матрица погрешностей определения искомых параметров в линейном приближении имеет иид :

E{dqdqT>=CT2(HTH)-', (6)

и диагональные элементы матрицы (НТ"Н)*' характеризуют шшннме геометрии взаимного расположения спутников и потребителя на точность навигационного определения. В качестве ГФ традиционно используется одна из величин PDOP, IIDOP и VDOP, которые соответстпуют среднеквадратичной ошибке оценивания полного вектора местоположения, его горизонтальной и вертикальной составляющих, и являются квадратным корнем из соответствуюших диагональных элементов. В общем случае роль ст играет приведенная (эквивалентная) ошибка измерения НП Оэкп и среднеквадратичная ошибка навигационного определении интересующего параметра q находится из следующего соотношения:

(Е |dq-|2)1/2 = DOP a3KH, (7)

где:

DOP - соответсвующий ГФ.

Таким образом, в качестве показателя точности навигационных определений можно использовать значения DOP. Поэтому в НЛП с ограниченным количеством каналов обычно производится выбор оптимального рабочего созвездия на основе минимума ГФ.

Для определения мгновенных н интегральных карт аномальных значений ГФ, получения вероятностно-точностных характеристик навигационного обеспечения потребителей СНС, исследования вопросов построения дифференциальной подсистемы и изучения возможности применения СНС для обеспечения посадки самолетов по первой категории точности Международной организации гражданской авиации (ИКАО) была создана имитационная модель СНС.

Вторая глава диссертации посвящена описанию алгоритмической и программной реализация модели СНС, которая состоит из 4 основных частей.

1) Модель космического сегмента.

2) Модель НЛП

ЗЮрограммньш модуль определении мгновенных и интегральных характеристик навигационного поля С11С.

4) Модель днфф> ренциальной подсистемы СНС

При моделировании космического сегмента необходимо учитывать изменении орбитальной структуры СПС, которые влияют на навигационное поле. Основное возмущающее воздействие на спутник обусловлено нецентральностью гравитационного поля Земли и практически не изменяет форму орбиты, но приводит к прецессии долготы восходящего узла орбиты и смещению орбигы в плоскости движения спутника. Поэтому в модели космического сегмента при определении координат и скорости спутников на основе кепилеровых элементов орбиты учитывается скорость прецессии восходящего уала орО.пи.

■ Для моделировании погрешностей эфемеридного обеспечения ошибки эфемериднон информации задаются в орбитальной системе координат н разделены на составляющие, направленные по радиус-вектору орбиты КД, по нормали к плоскости орбиты, и вдоль орбиты.

Алгоршми, входящие и модель НЛП, позволяют моделирадшь процесс выбора рабочего созвездия и решения навигационной задачи потребителем. При определении радиовидимых навигационных искусственных спутников Земли (НИСЗ) используются координаты потребителя, координаты спутника, а также значения минимального угла возвышения КЛ, и полураствора диаграммы направленности антенных устройств бортовой спутниковом аппаратуры.

При моделировании ПАП, определяющей вектор состояния потребителя по 4 или 5 спутникам, из всех видимых КЛ выбирается созвездие, которое минимизирует ГФ (РСЮР, ПСЮР или УЕЮР). Для моделирования захода на посадку в качестве критерия выбора рабочего созвездия используется пнп(УООР) или тт(ШЕЮР), где

ЖЮР=(ЗУСЮР+НООР). • (8)

В модели НАП, работающей по всем видимым Г1ИСЗ, выбор оптимального созвездия не осуществляется. При решении навигационной задачи, используется метод наименьших квадратов.

Для исследования точности навигационного определения потребителя при использовании дифференциальной подсистемы в модели реализованы различные варианты дифференциальной коррекции:

- Метод коррекции координат;

- Метод коррекции навигационных параметров;

Метод дифференциальных определений с использованием псевдоспутника;

В 3 главе приведено описание алгоритмов, реализованных в программном модуле определения мгновенных и интегральных характеристик навигационного поля С! 1С.

При использовании СНС самолетами и вертолетами гражданской авиации для повышения 'безопасности полетов в центрах планирования использования воздушного пространства следует учитывать пространственно-временное распределение зон с пониженной точностью навигационных определений. Для формализации задачи определения этих зон введем некоторые определения.

Сопоставим каждой точке на поверхности Земли в текущий момент времени значение выбранного ГФ (РСЮР, УООР или НЕЮР). Поле, образованное таким образом, назовем полем соответствующего геометрического фактора. Совокупность полей геометрических факторов будем называть мгновенным навигационным полем.

Точки на поверхности Земли, в которых ГФ больше некоторого предельного значения^ ГФ и точки, в которых местоопределение при помощи СНС вообще невозможно из-за недостаточного количества видимых НИСЗ, образуют так называемые зоны аномальных значений ГФ. Как указывалось выше, среднеквадратическая ошибка определения некоторого параметра (плановых координат, высоты, времени) пропорциональна соответствующему

ГФ, поэтому зоны аномальны:; значении ГФ при правильном выборе

*

предельного значения ГФ , оказываются связанными с зонами пониженной точности навигационных определений. Совокупность таких зон назовем мгновенной картой аномальных значений ГФ.

Карту Земли, на которой отмечены облаете и длительность времени, в течение которого яти области являются подмножествами зон аномальных значений, будем называть интегральной картой аномальных значений ГФ или просто интегральной картой соответствующего ГФ.

Таким образом, задача заключается в определении мгновенных и интегральных карт аномальны? значений ГФ, которые являются наиболее наглядным и информативным способом визуализации характеристик навигационного поля. Результаты прогностического анализа динамики карт аномальных значений ГФ могут быть использованы службами УВД при оперативном управлении полетами. Мгновенные и интегральные каргы ГФ также найдут применение при планировании использования воздушного пространства и при создании дифференциальной подсистемы СНС.

Карты ГФ должны с высокой точностью показывать местонахождение зон аномальных значений ГФ, при этом время получения таких карт не должно быть слишком большим, даже при использовании относительно маломощной вычислительной техники. Описанные в литературе методы и основанные на этих методах программные продукты для оценки характеристик навигационного поля создавались в ходе проектирования СНС ГЛОНАСС и GPS. При этом исследовались такие характеристики навигационного поля, как значение геометрических факторов для заданного уровня вероятности и вероятность наблюдения геометрических факторов, больших заданных пределов. Эти показатели характеризуют СНС в обобщенном смысле, а на практике важным является вопрос: достаточна ли точность навигационных определенен по СНС з заданным момент времени п некотором районе Земли для обеспечения посадки или для навигации иг, трассе.

Для определения расположения зон на поверхности Земли, где ГФ превышает пороговое значение, необходима разработка принципиально новых методов расчета интегральных характеристик навигационного поля.

Процесс определения пространственного распределения зон аномальных значений ГФ требует большого количества машинного времени, т.к. вычисление ГФ связано с определением диагональных элементов матрицы (II^Ei)"'. Количество точек, в которых необходимо определять ГФ, можно уменьшить, анализируя карты видимости НИСЗ. Обычно для получения карты мгновенного покрытия по видимости используется приближенный метод сетки. Основным недостатком этого метода является квадратичный рост времени расчета при уменьшении шага сетки.

Анализ взаимного пересечения кругов покрытии от разных НИСЗ значительно уменьшает время расчета и позволяет более точно определять границы областей с заданным количеством видимых КА. Но задача определения взаимного пересечения нескольких кругов покрытия на поверхности сферы также связана со значительными вычислительными трудностями. Устранить их можно с помощью метода интервалов видимости, который позволяет решать более простую задачу определения пересечения заданной линии и крута покрытия спутника. Аналогичный подход применялся в работе (R.Gross, "Satellite Cumulative Earth Coverage," in Proc.Astrodyn.Coni.North, 1981) при анализе видимости связных спутников.

Для реализации этого метода на ЭВМ весь интересующий регион поверхности Земли разбивается на набор линий одинаковой долготы, на каждом меридиане для всех спутников определяют интервалы видимости и вычисляют границы интервалов заданной кратности покрытия. При этом на любом меридиане границы интервалов видимости определяются точно, и кроме того необходимое для реализации метода машинное время возрастает лнлейно при увеличении разрешения по долготе.

Для спутника, подспутниковая точка которого находится на широте Вс и долготе Lc, интервал видимости на заданном меридиане L равен :

I Ф1 ; Ф2 1 ,гдс

Ф1 = тах(-я/2; vy-di}/), Ф'2 = m¡n( Ti/2; vy+d\y), vj/ = jrctg(tg(Bc)/cos(dL)).

costt)

dvy = arceos...................................-................(11)

11 - (sin(dL)cos(Bc))2]1/2 где dL=l.c-L - разность долготы подспутниковой точки и заданного меридиана.

угол А. - геоцентрический угловой радиус круга покрытия. X = arccos(Rzcos(y)/Rc)-7 Rz - радиус Земли;

Re - расстояние от центра земли до НИСЗ; у - минимальный угол места.

При определении интервалов кратности покрытия, которне являются пересечениями интерпалоп видимости отдельных спутников на заданном меридиане, используется метод сортировки Неймана. Применение метода интервалов видимости позволило на порядок сократить время определения мгновенных карт покрытия спутниковых навигационных систем но сравнению с сеточным методом.

Как отмечалось выше, при определении мгновенной карты аномальных значений ГФ количество вычислений ГФ можно минимизировать на основе анализа карты видимости спутников. Исследования навигационного ноля показали, что, если значения PDOP в каком-либо точке превышают б, то количество видимых НИСЗ <= 6. Однако, даже для полных систем количество видимых спутников не превышает 6 па больших территориях н течение значительного времени. Ситуация значительно ухудшается в случае использования СНС неполного состава и количество необходимых вычислении ГФ остается слишком большим. Поэтому был разработан метод

(9) (Ю)

аппроксимации ГФ, который позволяет уменьшить число вычислений ГФ в зонах, где кратность покрытия меньше 7.

Из результатов моделирования следует, что для заданного меридиана ГФ имеет практически постоянное значение на интервалах широты, характеризующихся постоянством набора Видимых спутников и наиболее Вертикального из них (с максимальным углом места). Назовем такие интервалы ВВ-интервалами, а соответсвующее значение DOP на ВВ-интервале: BB_DOP.

Статистические исследования показали, что в системах ГЛОНАСС и GPS СКО величины (BB_PDOP-PDOP) равно 0.09, а максимальное значение abs(BB_PDOP-PDOP) 0.25. Следовательно для определения ГФ на текущем меридиане можно вычислить матрицу GDOP лишь один раз на каждом ВВ-ин;ервале и, таким образом, существенно уменьшается время определения мгновенных карт ГФ.

Ввиду малости эксцентриситетов и совпадения радиусов орбит КА в системах "ГЛОНАСС" и GPS с большой точностью углы возвышения двух спутников для некоторой точки на поверхности Земли совпадают при равных угловых расстояниях до подспутниковых точек. Это свойство СНС используется для рассчета границ ВВ - интервалов на интервалах покрытия заданной кратности.

Таким образом, задача сводится к определению для данного меридиана интервалов, в каждой точке которых подспутниковая точка некоторого спутника ближе, чем подспутниковые точки всех остальных спутников.

Для двух спутников и заданного меридиана L широта точки, находящейся на одинаковом угловом расстоянии от этих спутников, определяется формулой:

cos(B2)cos(DL2)-cos(Bl)cos(DLl)

P=arctg__(12)

sin(Bl)-sin(B2) DLi=Li-L;

где

Bi -широт;» i-он подспутниковой точки ;

Li-долгота i-ой подспутниковой точки.

На основе чтоп формулы был реализован метод ВВ - интервалов. Необходимо подчеркнуть, что данный метод можно применять только в том случае, если рабочее созвездие выбирается на основе минимума PDOP или используются все видимые ПИСЗ.

Дли определения интегральных характеристик наши анионного поля используется следующая процедура. Весь период времени Т, на котором определяется ин югральпое покрытие, разбивается на временные интервалы |li, ti+delta_t|. В начальной точке каждого промежутка времени на основе метода интервалов видимости и метода ВВ-интервалов вычисляется мгновенная карта аномальных значений ГФ. Затем, предполагая, что зоны аномальных значений, найденные в моменты времени ti, существуют в течение всего промежутка времени Iti, ti+delta_tl, находим интегральную карту ГФ за период времени Т.

Совместное использование метода интервалов видимости и процедуры расчета ВВ - интервалов в несколько раз сокращает время, необходимое для определения мгновенного распределения областей на поверхности Земли, где ГФ превышает заданное пороговое значение. Это позволило рассчитать интегральные карты аномальных значений ГФ системы ГЛОНАСС и GPS при их раздельном и совместном использовании, для разного состава орбитальных группировок. Дтя навигационного поля системы "Глонасс" и совместного поля системы "Глонасс" и GPS такие результаты ранее нигде не публиковались. Основное внимание в работе уделено исследованию навигационных полей над территорией России и особенно в ее восточных регионах.

При решении навигационной задачи НЛП обрабатывает искаженную помехами информацию о дальности до НИСЗ и эфемеридно-временную информацию, которая содержит ошибки прогноза. Основной вклад в ошибку измерения навигационных параметров вносит режим селективной доступности

н атмосферные задержки. Ионосферная задержка может достигать 50 м. поэтому в одночастотной НЛП системы GPS используется алгоритм определения ионосферной задержки,. который позволяет компенсировать 4050% этой погрешности. Режим селективной доступности увеличивает ошибку измерения псевдодальности на "20 м. Следует отметить, что в системе "ГЛОНАСС" режим селективной доступности не реализован, а сигнал, передаваемый спутниками этой системы, не содержит информацию, необходимую для коррекции ионосферной задержки.

Использование СНС "ГЛОНАСС" и GPS при полно м составе орбитальных группировок позволит определять местоположение потребителей с точностью порядка 100м по плановым координатам, 150 м (2-СКО) по высоте, что не удовлетворяет требованиям высокоточной навигации самолетов и вертолетов гражданской авиации при полете на малых высотах и при заходе на посадку.

Повысить точность местоопределеиия позволяют дифференциальные методы навигации, которые рассматриваются в 4 главе. При работе в дифференциальном режиме используются результаты приема и обработки сигналов СНС в двух разнесенных точках. В одной точке расположена контрольно-корректирующая станция (ККС), во второй потребитель, вектор состояния которого уточняется. На ККС путем сопоставления измеренных значений НП или расчетных координат с эталонными значениями можно выявить систематическую часть погрешности навигационных определений. Такая же систематическая погрешность будет присутствовать при навигационных определениях потребителя. Передача с ККС потребителю соответствующих поправок позволяет компенсировать часть составляющих погрешности местоопределеиия, которая вызвана эфемеридиыми ошибками, уходом шкалы времени НИСЗ, влиянием среды распространения /ионосферы, тропосферы/ и режимом селективной доступности.

Дифференциальная подсистема может быть реализована в двух вариантах - локальном и региональном. Существующие варианты локальной

дифференциальной подсистемы в основном различаются по виду корректируемой в НАГ1 информации и способу передачи • корректирующей информации с ККС поребитолю.

В методе "коррекции координат" корректирующая информация формируется на дифференциальной станции в виде поправки к координатам, при этом потребитель должен нспользопять созвездие оптимальное для ККС.

При использовании метода "коррекции навигационных параметров" ККС определяют и передают потребителю поправки к НП для всех радиовиднмых 11ИСЗ, и потребитель может, выбрать оптимальное созвездие из числа спутников, радиовиднмых как для потребителя, так и для ККС. Для передачи корректирующей попрааки могут использоваться как спутниковые, так и наземные каналы связи.

Моделирование дифференциального режима коррекции координат показало, что при минимально допустимых углах места радиовидимости КА, равных 5 градусам, зона эффективности метода составляет около 100 км. При большем удалении вероятность проведения дифференциальной коррекции снижается, т.к. видимые ККС спутники с углами места, близкими к минимальному, могут находиться ниже допустимых углов Места для потребителя, и он не сможет их использовать для навигационных определений. При увеличении минимального угла места КА для дифференциальной станции до 15 градусов зона действия режима коррекции координат составляет 1000 км. Из анализа результатов моделирования дифференциальных режимов следует, что на удалениях до 1000 км характеристики обоих дифференциальных режимов примерно равнозначны; на удзлениях от 1000 км до 2000 км режим коррекции навигационных параметров обеспечивает более высокие вероятностно-точностные характеристики.

При потном составе космического сегмента удвоенная среднеквадратичная ошибка навигационных определений по височной составляющей изменяется от 7 м на малых удалениях до 21 м на удалениях

до 1000 км, что значительно меньше ошибок обычного навигационного режима и СПС. Точность определения плановых координат выше и составляет в том же диапазоне дальностей 5 - 16 м.

Ряд ошибок ограничивают точность локальной дифференциальной подситемы по мере увеличения расстояния между опорной станцией и потребителем. В диссертации исследована пространственная декоррелнция ошибок эфемерндного обеспечения и проведен анализ влияния удаления потребителя от дифференциального пункта на точность коррекции атмосферных задержек'. Нг.иболее существенной является ионосферная задержка, которая вносит основной вклад в ошибку определения НП при расстояниях, превышающих 180-200 км. Точность прогноза ионосферных изменений зависит от времени суток, времени года и солнечной активности. Из-за низкой корреляции временных изменений ионосферы модель должна корректироваться практически в реальном масштабе времени с использованием текущих ионосферных измерений в данном регионе. Следующей по значимости является тропосферная ошибка. По мере увеличения дальности от ККС (при удалении свыше 1800 км) усиливается влияние эфемеридиых ошибок.

Для увеличения дальности действия дифференциальной подсистемы и 1 повышения точности навигационных определении на территории большого региона в корректирующую информацию необходимо включить поправки ионосферной. и тропосферной моделей и оценку ошибок отдельных составляющих спутниковых эфемерид.

Определить эти поправки позволит региональная дифференциальная подсистема, в которой будет использоваться сеть из нескольких опорных и одной главной ККС. Контрольно-корректирующие станции, размещенные на территории большого региона (например, на территории России), будут вести непрерывные наблюдения всех попадающих в их зоны видимости НИСЗ, определять поправки к НП и передавать результаты измерений по каналам связи в вычислительный центр (ВЦ) главной ККС. Измерение НП от 4-х или

более ККС до одного спутника позволяет определить в ВЦ поправки к отдельным составляющим эфемерид и шкале времени спутника. Результаты 2-.частотных измерений относительных фаз несущих и результаты измерений коэффициента рефракции также будут передаваться с ККС и ВЦ главной дифференциальной станции для коррекции в реальном масштабе времени параметров ионосферной и тропосферной модели. Таким образом, п дифференциальную посылку следует включить скорректированные параметры ионосферной и тропосферной модели, а также поправки к продольной и поперечной составляющей ошибок эфемерид и объединенную поправку к ошибкам синхронизации борювых шкал времени (и том числе обуслопленным режимом селективной доступности) и радиальным ошибкам эфемерид каждого снуп пика.

Этот метод позволю обеспечить высокоточную дифференциальную коррекцию в пределах большого географического региона с точностью определения высоты 11.7 м. (2 СКО) на удалениях до 2000 км, точность определения плановых координат в том же диапазоне дальностей 9м. (2'СКО).

Относительно большое значение ошибок по высоте обьясшется тем, что даже при полном составе орбитальных группировок существуют области на поверхности Земли, в которых VDOP превышает 5. Ситуация значительно ухудшается при возможных отказах спутников или при эксплуатации систем с неполным космическим сегментом. Отсутствие непрерывного навигационного поля сдерживает применение системы "ГЛОНАСС" или GPS как штатного средства для обеспечения посадки воздушных судов.

Для того, чтобы повысить непрерывность навигационного обеспечения в системах "ГЛОНАСС" или GPS и обеспечить точность навигационных определений, достаточную для захода воздушных судов на посадку по 1-й категории ИКАО, необходимо создание дифференциальной подсистемы на основе псевдоспутников (ПС). Использование ПС позволяет улучшить геометрию расположения источников навигационного сигнала, повыопь надежность навигационного обеспечения и, одновременно решить проблему

передачи дифференциальных поправок. ПС также можно использовать как средство контроля целостности спутниковом системы. Согласно рекомендации специального комитета ЯТСМ-104 предполагается использовать ПС в зоне радиуса 50 км. В этой зоне точностные характеристики дифференциального режима несущественно зависят от расстояния между потребителем и дифференциальным пунктом и определяющую роль играет относительное положение НИСЗ, псевдоспутников и потребителя в момент возникновения больших значений ГФ.

Анализ мгновенных карт аномальных значений ГФ и мгновенных карт видимости показал, что при эксплуатации системы неполного состава возникают ситуации, когда во время посадки положение потребителя и видимых спутников близко к компланарному. В этом случае ПС на взлетной полосе не позволяет улучшить значение ГФ, т.к. расположение источников навигационных сигналов является вырожденным. Следовательно, для наиболее эффективного использования ПС необходимо определять его оптимальное положение на основе имитационного моделирования. Нужно отметить, что характеристики дифференциальной СПС без ПС вполне позволяют осуществлять неточный заход на посадку, поэтому оптимальное расположение ПС требуется только для обеспечения посадки по 1-ой категории точности ИКАО, когда высота составляет около 60 метров и самолет находится вблизи посадочной полосы примерно на расстоянии 1 км. Задачу можно сформулировать следующим образом - выбрать положение ьссвдоспутников, оптимальное для потребителя, находящегося над взлетной полосой на некоторой заданной высоте.

Так как требования на точность определения высоты в 2-4 раз строже, чем на точность определения плановых координат, то в качестве критерия оптимальности положения ПС можно использовать минимум максимального значения \УПОР=(3*УООР+НСЮР) за период реконфигурации навигационного поля системы.

В любой момент времени существует критическое направление в

пространстве, в котором необходимо располагать ПС для наибольшего возможного улучшения ГФ. Но на протяжении периода реконфигурации системы наихудшие направления, соответствующие разным моментам времени, могут сильно отличаться друг от друга и максимум ГФ как функция положения ПС может иметь наряду с глобальным минимумом также несколько локальных минимумов. Следовательно единственно возможным методом определения оптимального расположения ПС остается перебор всех возможных мест расположения ПС. Оптимальное положение ПС и точностные характеристики навигационных определений зависят от характеристик орбитальной структуры СНС, положения потребителя, числа ПС и минимального угла возвышения КА.

Период реконфигурации навигационного поля СНС ПРБ равен 24 часам, поэтому оптимальное положение ПС на разные сутки совпадает. У системы "ГЛОНЛСС" этот период приблизительно равен 8 суткам, поэтому нахождение оптимального положения ПС усложняется, и в некоторых случаях невозможно выбрать оптимальное положение ПС так, чтобы устранялись все аномально большие значения ГФ за 8 суток.

В диссертации исследованы вопросы оптимального расположения псевдоспутннков в зоне аэропорта г. Владивосток. Из результатов моделирования следует, что при раздельном использовании СНС с орбитальными группировками, состоящими из 18-20 спутников, оптимальное расположение одного псевдоспутника в зоне аэропорта не улучшает геометрические характеристики навигационного поля до уровня, необходимого для посадки самолетов на основе спутниковых средств навигации. Оптимальное расположение двух псевдоспутников обеспечивает определение координат воздушного судна с погрешностяями, удовлетворяющими требованиям первой категории точности ИКАО. Это позволяет использовать СНС и псевдоспутники как основное средство для высокоточного навигационного обеспечения воздушных судов при заходе на посадку.

В работе ( Brown A. Extended Differential GPS, J.lnst.Nav., vol 36. fall 1989) предлагается u региональной дифференциальной подсистеме использовать ККС, но как отмечено выше при навигационных определениях по одной системе ГЛОНЛСС или GPS, построение региональной дифференциальной подсистемы с использованием только ККС не обеспечит точностные характеристики, необходимые для осуществления посадки самолетов. Поэтому региональную дифференциальную подсистему необходимо организовывать на основе сети псгндоснутннкон, снизанных между собой космическими средствами связи.

Заключение

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1) Создан комплекс математических мочелен спутниковых систем навигации, который предназначен для решения задач совместного использования радионавигационных нолей "ГЛОНЛСС" и GPS в целях управления воздушным движением, а также обеспечения навигации воздушных судов при полетах на трассах и при заходах tin посадку.

2) Разработан принципиально новый метод, который позволяет в центрах планирования использования воздушного пространства оперативно определять пространственно-временное распределение зон на поверхности Земли с геометрическим фактором, превышающим заданное значение.

3) Рассчитаны (для разного состава орбитальных группировок) интегральные карты аномальных значении геометрического фактора при раздельном и совместном использовании СНС "ГЛОНЛСС" и GPS. При этом основное внимание было уделено исследованию навигационных полей над территорией России.

4) Создано алгоритмическое и программное обеспечение, которое позволяет определять оптимальное расположение псевдоспутников в

зоне аэропорта с учетом периодической реконфигурации навигационного поля, создаваемого системами "Глонасс" и GPS.

5) Обоснована необходимость организации региональной дифференциальной подсистемы на основе сети псевдоспутннков, связанных между собой космическими средствами связи.

6) Реэ).плати диссертационной работы были использованы при разработке проекта модернизации технических средств системы УВД Дальнего Востока, а также при создании математического и программного обеспечения перспективного автоматизированного рабочего места диспетчера УВД.

Основные результаты диссертации изложены в следующих печатных работах:

1. Морозов А.П., Распопин С.И. Общие подходы и разработка перспективных автоматизированных систем организации воздушного движения // М.: ГосНИИАС, 1992. Сборник материалов межотраслевого совещания "Информационные технологии в разработках сложных систем".

2. Волошко Ю.Б., Морозов А.Н., Распопин Е.И. Имитационное моделирование объединенной Глобальной спутниковой навигационной системы GLONASS -GPS. / / М.; Тезисы докладов конференции "Моделирование систем и процессов управления на транспорте", 1991

3. Губернаторов К.Н., Морозов А.Н., Распопин Е.И. Имитационный комплекс для огработки методов организации воздушного пространства и процедур управления воздушным движением // М.: Тезисы докладов конференции "Моделирование систем и процессов управления на транспорте", 1991

Ротапринт МФТИ Подписано в печать 04.11.92 Заказ номер

Тираж 100 экз.