Математическое и программное обеспечение навигации с использованием систем ГЛОНАСС/GPS/WAAS

Куршин, Владимир Викторович

Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Математическое и программное обеспечение навигации с использованием систем ГЛОНАСС/GPS/WAAS

доктора технических наук: Куршин, Владимир Викторович
город: Москва
год: 2003
специальность ВАК РФ: 05.13.18

Диссертация по информатике, вычислительной технике и управлению на тему «Математическое и программное обеспечение навигации с использованием систем ГЛОНАСС/GPS/WAAS»

Автореферат диссертации по теме "Математическое и программное обеспечение навигации с использованием систем ГЛОНАСС/GPS/WAAS"

На правах рукописи

КУРШИН Владимир Викторович

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАВИГАЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИСТЕМ ГЛОНАСС/СРвАУААв

Специальность 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 2003 год

Работа выполнена в Московском авиационном институте (государственном техническом университете).

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор В.В. Малышев

член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор Г.М. Чернявский

доктор технических наук, профессор Н.Е. Иванов

доктор технических наук, профессор В.Н. Почукаев

НПО прикладной механики

Защита состоится "_" _:_ 2003 г. в _ часов на заседании

диссертационного совета Д 212.125.12 в Московском государственном авиационном институте (техническом университете) по адресу: 125871, Москва, ГСП, Волоколамское шоссе, дом 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института (государственного технического университета).

Автореферат разослан "_"_2003 г.

к.т.н., доцент

Д 212.125^2

— ! В.В. Дарнопых

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие космической техники в последние годы дало возможность подняться на новую ступень при решении различного рода задач. При судовождении, управлении полетом самолета или космического аппарата, геодезии, мониторинге разных движущихся объектов требуется знание положения потребителя в пространстве, его скорости. В 90-е годы были развернуты среднеорбитальные навигационные спутниковые системы (НСС), позволившие удовлетворить существовавшие на то время потребности в качестве глобального навигационного обслуживания: в США - это система GPS, а в России - ГЛОНАСС. Но существует ряд задач, которые требуют более высокого качества навигационного обслуживания как по точности, так и по характеру навигации, то есть по типу предоставляемой информации о положении потребителя. Так, для захода на посадку самолета по I категории необходимая точность навигации в плоскости - 4-8 м, а по высоте - 2-8 м.

Для обеспечения повышенной точности навигации обычно применяется дифференциальная коррекция. Очевидно, что для обеспечения дифференциального режима для большого региона - например, для стран Европы, США, России -количество базовых станций, формирующих дифференциальные поправки, достигает огромной величины. Поэтому был предложен другой подход. Суть его заключается в том, что передача корректирующих дифференциальных поправок осуществляется при помощи геостационарных спутников. Примерами широкозонных дифференциальных систем являются американская система WAAS и две системы, находящиеся на различных стадиях работ - японская MSAS, европейские EGNOS и Galileo. В настоящий момент система WAAS проходит тестирование, полный ввод в эксплуатацию намечен на 2003 г.

Можно констатировать тот факт, что в настоящее время существует объективная потребность в дальнейшем повышении качества навигационного обслуживания. Качество навигационного обслуживания может совершенствоваться по следующим направлениям. ' •

Второе направление связано с совместным использованием навигационных систем GPS и ГЛОНАСС. Интерес к задаче комплексирования GPS и ГЛОНАСС измерений объясняется возможностью дальнейшего совершенствования алгоритмического обеспечения в направлении повышения качества навигационного обслуживания, в том числе в рамках создания программного обеспечения для проекта GNSS. Необходимо заметить, что совместное использование GPS и ГЛОНАСС систем существенно улучшает точность навигации в случае, если в системе GPS применяется селективный доступ.

Следующее направление в области повышения качества навигационного обслуживания относится к дифференциальной коррекции. И если для локальной дифференциальной коррекции, применяемой уже около десяти лет, существует и различные навигационные станции, и оборудование для передачи дифференциальных поправок, и соответствующее программное обеспечение, то для широкозонных дифференциальных систем в силу новизны является актуальным разработка соответствующего алгоритмическо-программного обеспечения.

При разработке алгоритмов и программ для навигационного GPS/WAAS оборудования в настоящей работе основное внимание уделяется авиационному потребителю на различных этапах: взлет, полет по маршруту и, особенно, посадка самолета. С целью повышения качества навигации авиационного потребителя рассматривается вопрос комплексирования спутниковых GPS/WAAS измерений и барометрических данных.

Также рассматривается задача повышения точности определения положения и скорости потребителя при использовании спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС/GPS в условиях ограниченной радиовидимости спутников. С целью повышения точности навигации предлагается дополнительно использовать магнитный датчик, определяющий угловую ориентацию.

Определение координат потребителя - это основа для решения задачи управления объектом. При управлении самолетом огромную роль играет человеческий фактор, поскольку именно пилот принимает все решения, а бортовая аппаратура только помогает пилоту. И вопрос о способе предоставления навигационной информации имеет большое значение. Спутниковые навигационные приемники определяют положение, как правило, в географической системе координат - широта, долгота, высота. Ориентирование же на местности проходит при помощи бумажных, полетных карт. Разумеется, при известном положении объекта ориентирование по карте представляет собой не очень сложную задачу. Но при все возрастающих скоростях полета, огромном количестве выводимой диагностической и другой информации пилоту довольно-таки затруднительно проводить дополнительные расчеты по карте: Поэтому, чтобы повысить безопасность полета, необходимо обеспечивать автоматическую навигацию самолета по карте. В англоязычной литературе подобная задача носит название "moving map".

Таким образом, важной задачей для авиационного потребителя является обеспечение высокоточной навигации по электронным картам, и в первую очередь при совершении самолетом посадки. Решение данной задачи требует разработки как высокоточных навигационных алгоритмов," так и специализированного программного обеспечения, позволяющее отобразить на экране бортового компьютера текущее положение потребителя совместно с картой местности.

не анализировались особенности навигации авиационного потребителя в режиме посадки.

В области создания электронных движущихся карт существует достаточно большое количество разработок: "FlightMap", "Preston Peavy", "Navplan", "Fugawi Navigation Software", HT9100, GPSMAP 195/295, "Digital Mapping System", M-5000, "Advanced Moving Map System", "Планшет" и некоторые другие. Большинство перечисленных навигационных компьютеров для управления используют специальные кнопки, расположенные рядом с дисплеем. И в этом случае процесс управления навигационной программой будет занимать определенное время. Достаточно упомянуть, например, установку путевой точки или "пролистывание" рабочих режимов. Другая часть программного обеспечения использует Windows-ориентированный интерфейс, что не совсем удобно - поскольку вибрация, качка не позволяют точно попасть в нужное место на дисплее. Необходимо также отметить, что данные работы обеспечивают навигацию авиационного потребителя только по маршрутным картам. Возможность же навигации по терминальным картам в режиме посадки отсутствует, что крайне важно для безопасности пилотирования.

Поэтому предлагается использовать в бортовом компьютере дисплей, реагирующий на нажатие — touch-screen. Это дает возможность как бы совместить и дисплей, и кнопки управления в одном устройстве. Такое решение существенно улучшает эргонометрические свойства навигационного компьютера. Отметим и еще одно преимущество использования дисплея touch-screen. Если пилоту необходимо ввести какую-нибудь информацию, то для этого используется дополнительная клавиатура. В случае применения touch-screen на дисплее отображается виртуальная клавиатура и при ее помощи может осуществляться ввод информации. Использование же в качестве источников навигационной информации GPS/WAAS оборудование с соответствующими алгоритмами позволит обеспечить пилота самолета высокоточными данными о его положении на местности, скорости, высоте, а сам способ предоставления навигационной информации будет обладать достаточной наглядностью.

Объединение навигационного приемника, определяющего положение и скорость потребителя при помощи спутниковых систем ГЛОНАСС/вРЗЛ^ААЗ, и бортового компьютера, осуществляющего вывод на дисплей необходимого фрагмента карты и соответствующего положения потребителя на карте, позволяет решить единую задачу - навигация потребителя с использованием ГЛОНАССЛЗРБЛУААЗ измерений и цифровых карт. Структура авиационного бортового комплекса, обеспечивающего спутниковую навигацию на основе цифровых карт, приведена на рис. 1.

ГЛОНАСС/СРЭЛЛ/ААБ данные

Барометрические данные

1 1

База данных о ) аэродромах | Ваза данных о высоте земли База данных о радиомаяках

Рис.1. Спутниковая навигация авиационного потребителя на основе цифровых карт.

В ряде случаев цифровые навигационные карты используются не только пилотом, но и другими членами экипажа. И наиболее эффективным решением такой задачи является применение специализированного бортового навигационного комплекса. Данный комплекс состоит из навигационного сервера и нескольких бортовых компьютеров, объединенных в единую сеть. В задачу навигационного сервера входит обеспечение бортовых компьютеров всеми навигационными данными, включающими как информацию о положении и скорости объекта с использованием ГЛОНАССЛЗР8^АА8 систем, так и картографические данные. Передача данных по бортовой компьютерной сети осуществляется по протоколу ТСРЛР.

Цель работы. Целью работы является комплексное решение проблемы создания математического и программного обеспечения процесса навигации подвижных объектов на основе спутниковых систем TJIOHACC/GPS/WAAS и цифровых карт. В качестве дополнительных измерений могут использоваться данные высотомера или магнитного датчика. Создаваемый программный комплекс может быть использован в бортовом компьютере, установленным на самолете или вертолете и осуществляющим высокоточную навигацию по цифровой карте с использованием спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS/WAAS.

Решаемая в диссертации проблема осуществления высокоточной навигации авиационного потребителя по цифровой карте отражает практическую потребность улучшения качества навигационного обслуживания и, следовательно, повышения безопасности пилотирования.

Методика исследований. При создании навигационных алгоритмов используются статистические методы обработки данных, методы оптимальной фильтрации, адаптивные методы обработки информации. При программной реализации математического обеспечения навигационного комплекса, работающего в реальном времени, йспользуются методы объектно-ориентированного программирования и мультизадачность операционных систем Windows, VxWorks, Linux.

Научная новизна. Новыми научными результатами в диссертации являются:

1. Математическое и программное обеспечение для бортового навигационного компьютера, включающего высокоточные ГЛОНАСС/GPS/WAAS алгоритмы и осуществляющего навигацию потребителя (самолета, вертолета) по цифровой карте в реальном времени, в том числе и на этапе посадки. Бортовой компьютер оборудован дисплеем, реагирующим на нажатие.

2. Навигационные алгоритмы определения положения движущегося потребителя (самолета, вертолета) на основе проведения дальномерных GPS/WAAS измерений и с использованием данных высотомера,

3. Навигационный алгоритм, использующий дальномерные и доплеровские спутниковые измерения и угловые измерения магнитного датчика.

4. Адаптивный навигационный алгоритм на основе проведения дальномерных GPS измерений с использованием фильтра^ Калмана в условиях действия селективного доступа.

5. Навигационный алгоритм, использующий дальномерные и фазовые измерения для приемника с одной антенной.

6. Алгоритм определение скорости потребителя на основе проведения дальномерных rJIOHACC/GPS/WAAS измерений.

7. Алгоритм автономного контроля целостности навигационных измерений при использовании систем ГЛОНАСС/GPS/WAAS.

Достоверность результатов. Достоверность разработанных алгоритмов и реализованных в виде программного обеспечения подтверждается тестированием в реальных условиях на навигационной аппаратуре с использованием GPS/WAAS/ГЛОНАСС спутниковых измерений, в том числе с применением дополнительных барометрических данных. Тестирование навигационных алгоритмов проводилось как для стационарных потребителей, так и при проведении тестовых полетов. Корректность работы бортового компьютера, осуществляющего спутниковую навигацию по цифровой карте, помимо тестирования с использованием сймуляторов проверялась также в контрольных полетах.

Практическая значимость. Решаемая в диссертации проблема осуществления высокоточной навигации авиационного потребителя по цифровой карте отражает практическую потребность улучшения качества навигационного обслуживания и, следовательно, повышения безопасности пилотирования. Практическая значимость полученных в работе результатов состоит в:

• разработке математического и программного обеспечения определения положения и скорости авиационного потребителя на основе проведения дальномерных и доплеровских ГЛОНАСС/GPS/WAAS измерений;

• разработке программного комплекса для бортового компьютера, обеспечивающего в реальном масштабе времени ГЛОНАСС/GPS/WAAS навигацию самолета или вертолета по цифровой карте, в том числе при совершении посадки;

• разработке методики и алгоритма комптексирования (Н^/\\'ЛЛЯ и барометрических измерений;

• разработке навигационного алгоритма совместного использования ГЛОНАССЛЭРЗ дальномерных и фазовых измерений, полученных при помощи одной антенны;

• разработке навигационного алгоритма совмеанот использования ГЛОНАССЮРБ и угловых измерений;

• разработке алгоритма автономною контроля целостности ГЛОНАСС/ОРЗЛУААБ измерений и осушесчвляющего оптимизацию состава измерений.

Результаты, полученные в работе, внедрены и пепользукмея при проведении научно-исследовательских работ в ряде вед>ших лэрокосмических предприя шй России и в высших учебных заведениях: НПО ПМ, РНИ1I КП. I [УП-М, МАИ.

Апробация работы. Основные результаты диссертации были представлены и обсуждены на следующих конгрессах, конференциях, чтениях и семинарах- на II Всесоюзном семинаре по методам синтеза и планирования развшия с I рук: \ р сложных систем, прЬводившемся в Тайшете в 1981 г.; на VII "пениях, посвященных разработке научного наследия и разви шю идей Ф.А. Цандера, проводившейся в Москве в 1982 г.; на I и II Всесоюзных конференциях по проблемам управления, проводившихся в Куйбышеве в 1983 и 1985 п.: на Всесоюзной научно-технической конференции по проблемам динамики \ правления и безопасности полетов, проводившейся в Рше в 1985 г: на Гагаринеких на\чпых чтениях по космонавтике и авиации, проводившейся в Москве в 1986 I . на международной конференции "Бортовые итерированные комплексы и современные проблемы управления", проводившейся в Яропо.н.не в 1998 1.; на международной космической конференции - 2001. проводившейся в Москве в 2001 г.; на 5, 6 и 7 международных конференциях "'Сииемный анализ и \правление космическими комплексами", проводившихся в Евпатории в 2000 I . 2001 г. и 2002 г.; на международной конференции ОИББ^ООО. проводившейся в ")дннбурге в 2000 г.; на научно-технической конференции ФГУП РПИИ КП, проводившейся в Москве

в 2003 г.; на международном симпозиуме по автоэлектрике и автоэлектронике, проводившемся в Суздале в 2001 г.

Программа NaviMap была представлена на авиационных выставках Берлин-96, Фарнборо-96, Мадрид-97, IAL-98 и др.

Личный вклад и публикации. Все результаты, приведенные в диссертации, получены лично автором, основные из них опубликованы в 30 работах, в том числе в 25 печатных работах.

На защиту выносятся:

• математическое обеспечение навигации авиационного потребителя с использованием дальномерных и доплеровских измерений спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS/WAAS;

• программное обеспечение и архитектура построения программного комплекса бортового навигационного компьютера, включающего ГЛОНАСС/GPS/WAAS алгоритмы и осуществляющего навигацию самолета или вертолета по цифровым маршрутным и терминальным картам в реальном масштабе времени;

• навигационный алгоритм и программное обеспечение задачи определения положения и скорости авиационного потребителя на основе проведения GPS/WAAS измерений и с использованием данных высотомера;

• адаптивный навигационный алгоритм на основе проведения дальномерных GPS измерений с использованием фильтра Калмана в условиях действия селективного доступа;

• навигационный алгоритм, использующий ГЛОНАСС/GPS и угловые измерения;

• навигационный алгоритм, использующий ГЛОНАСС/GPS дальномерные и фазовые измерения для приемника с одной антенной;

• программное обеспечение для специализированного бортового навигационного комплекса, состоящего из навигационного сервера и нескольких бортовых компьютеров, объединенных в единую сеть и обеспечивающего навигацию по цифровым картам в реальном масштабе времени;

• алгоритм автономного контроля целостности навигационных niOHACC/GPS/WAAS измерений, осуществляющего оптимизацию состава измерений.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, выводов, списка литературы из 173 наименований и трех приложений. Общий объем работы составляет 339 страниц, в том числе 108 рисунков и 21 таблицы. В приложение 3 включен компакт-диск с демонстрационными версиями программного обеспечения.

В главе 1 исследуется задача определения положения и скорости потребителя с использованием спутниковой навигационной системы. Цель - формализация технической и математической постановок задач спутниковой навигации и определение способов решения.

Введем в рассмотрение следующий вектор потребителя:

где х, у, z, Vx, Vy, V, - координаты положения и скорости, В - уход часов приемника потребителя; F — скорость ухода часов приемника потребителя.

Если навигация осуществляется при помощи системы GPS, то координаты вектора потребителя определяются в системе координат WGS-84, если только при помощи ГЛОНАСС - то в системе ПЗ-90. При комплексировании GPS и ГЛОНАСС измерений за основу выбирается какая-то одна система координат.

В каждый момент времени потребитель проводит дальномерные R, и доплеровские д измерения до N навигационных спутников системы GPS или/и системы ГЛОНАСС:

На основе априорной информации о фазовом векторе потребителя и эфемеридной информации, передаваемой в навигационных сообщениях, а также при

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

(1)

Нд, - А - £>/•

(2)

помощи измерительного блока приемника вычисляется 2Ы-мерный вектор невязок измерений Дт] = г}саШа,е(1 - т]шамгЫ.

При построении навигационных алгоритмов и анализе их характеристик используются следующие алгоритмы:

• алгоритм на основе одномоментных измерений;

• алгоритм на основе измерений нарастающего объема.

Алгоритм на основе одномоментных измерений.

Решение навигационной задачи определения 8-мерного расширенного фазового вектора потребителя X на основе дальномерных и доплеровских спутниковых измерений, проведенных в одну временную эпоху, с использованием метода наименьших квадратов (МНК) имеет следующий вид:

X* +{НТ-цт-ну1-Нт-ЦТ ДТ7,'' (3)

здесь X" — априорный расширенный фазовый вектор потребителя;

РГ — весовая матрица измерений;

Н - матрица частных производных (матрица измерений);

Х+ - апостериорный расширенный фазовый вектор потребителя.

Заметим, что навигационный алгоритм на основе одномоментных измерений (3) не требует знания модели движения потребителя, что особенно важно, если математическая формализация движения объекта сопряжена с большими трудностями, например, при посадке самолета.

При решении навигационной задачи для одной эпохи измерений на основе МНК применение метода декомпозиции позволяет уменьшить размерность задачи и, следовательно, упрощает вычислительную процедуру. Суть декомпозиции заключается в раздельном определении положения и скорости потребителя:

■ положение потребителя определяется при помощи уравнения

X* = Х~+(вт-¡Г-ву'-вт (4)

■ скорость потребителя определяется при помощи уравнения

V* = У~+{вт-ТТ-ву'-в7-ТГ-АО (5)

В навигационной литературе матрица С называется геометрической, поскольку она характеризует взаимное геометрическое расположение спутников и потребителя.

Алгоритм на основе измерений нарастающего объема.

Применение фильтра Калмана позволяет найти оценку вектора потребителя в задаче спутниковой навигации с учетом всех проведенных ранее измерений. Данный способ требует знания модели движения объекта. Пусть она линейна и переходная матрица есть Ф. Матрицы W, Q, Р ~ ковариационные матрицы, соответственно, погрешностей измерений, возмущений и ошибки определения вектора потребителя X, I- единичная матрица.

Процедура применения фильтра Калмана на каждом шаге измерений к (к=0,1,2,...) имеет следующий вид:

Кк=Р;Нтк(НкРкНтк+\¥кГ , X, = Х4 +ЛГ4(71_ямшта/-7»_ссыа,ы) р: = (1-ккнк)р-(1-ккнк)т +Кк\УкК1 (6)

Необходимо заметить, чго в реальных условиях, то есть при использовании измерений, полученных с навигационных приемников, фильтр Калмана (6) расходится. На основе анализа изменения оценки фазового вектора потребителя X было найдено, что причина расходимости - это плохая наблюдаемость переменных ухода часов и скорости ухода часов потребителя. Было установлено, что для устранения расходимости фильтра Калмана (6) достаточно ввести корректировку априорной ковариационной матрицы - соответствующих диагональных элементов матрицы, характеризующих точность определения ухода часов £)в и скорости ухода часов £>/г потребителя:

Ов=твОв, , тве[25,50], шге[10,25]. (7)

Данный диапазон значений коэффициентов соответствует частоте проведения измерений 1 Гц.

Навигационные алгоритмы, рассматриваемые в данной работе, тестировались различными способами.

Первый способ тестирования проводился при помощи обычного имитационного моделирования с использованием персонального компьютера. Очевидно, что этот способ тестирования носит только приближенный, прикидочный характер. В частности, при таком тестировании характеристики навигационных алгоритмов обладали более высокой точностью и не возникали различные вычислительные проблемы, связанные в том числе с расходимостью фильтра Калмана в реальных условиях.

Второй способ тестирования предполагал использование реального навигационного приемника, а навигационные измерения генерировались специализированным имитационным комплексом GPS/GLONASS Satellite Simulator. В этом случае антенный блок навигационного приемника заменялся имитатором навигационных сигналов. Данный комплекс включает широкие возможности по моделированию движения приемника, обладающего динамикой автомобиля, самолета или космического корабля и совершающего различные маневры.

И, наконец, тестирование, проводившееся в реальных условиях, то есть когда навигационная аппаратура принимала сигналы от спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS/WAAS. Причем навигационный приемник был установлен как стационарно, так и на борту самолета, совершающего тестовые полеты.

Очевидно, что для отладки программного обеспечения, поиска всевозможных ошибок, оптимальной настройки параметров фильтра и т.д. необходимо иметь возможность многократно повторять решение навигационной задачи. И если при первом способе тестирования это не составляет особого труда - надо просто задать те же самые исходные данные, то в реальных условиях необходимо применять другой подход. Отчасти это справедливо и при использовании имитационного комплекса GPS/GLONASS Satellite Simulator, так как генерация измерительных шумов, как правило, зависит от текущего времени.

Поэтому для отладки навигационных алгоритмов был разработан программно-аппаратный комплекс, позволяющий проводить многократное тестирование и наилучшим образом подбирать настроечные параметры. Блок-схема такого комплекса приведена на рис.2.

\ Антенный / блок

Навигационный блок

Приемник

Сырые измерения

Жесткий диск или другой PC

Рис.2. Блок-схема комплекса тестирования навигационных алгоритмов.

Применение данного комплекса позволяет подробно исследовать особенности GPS-навигации авиационного потребителя. В качестве примера проанализирован тестовый полет, который проходил 01/09/99 вблизи аэродрома Sendai на севере Японии. Для точного определения положения самолета использовалось дополнительное навигационное оборудование, реализующее метод "Real Time Kinematic" и обеспечивающее определение положения с точностью нескольких десятков сантиметров.

463 965 1447 19292411 2893 3375 3857 433В 4S21 5303 5785 8267

Рис.3. GPS-навигация самолета, дата полета 01/09/99.

На рис.3 представлены результаты решения задачи GPS-навигации самолета с использованием разработанного программно-аппаратного комплекса тестирования навигационных алгоритмов на основе МНК и фильтра Калмана.

В главе 2 решается задача повышения точности навигации с использованием системы GPS. Рассматриваются два направления улучшения точности GPS-навигации.

Первое направление связано с использованием системы GPS в условиях действия селективного доступа. Несмотря на то, что в настоящее время селективного доступа в системе GPS нет, решение этой задачи актуально из-за

возможности его повторного применения. Особенностью построения адаптивного навигационного алгоритма является оценивание помимо фазового вектора потребителя еще и параметров селективного доступа. Это дает возможность вычислить погрешности измерений, вносимые селективным доступом, и таким образом повысить общую точность измерений с использованием системы GPS в условиях действия селективного доступа. На основе такого подхода разработан оригинальный алгоритм, уменьшающий влияние селективного доступа и, соответственно, повышающий точность GPS-навигации.

При разработке навигационных алгоритмов обычно погрешности, вносимые селективным доступом, считались неизвестными величинами и их включали в ошибки измерений. Расширим эту задачу. Попробуем оценить погрешности, вносимые селективным доступом и для повышений точности измерений помимо вычисления ионосферных и тропосферных поправок (что является стандартным приемом) будем использовать также и погрешности, вносимые селективным доступом.

Известно, что изменения погрешностей, создаваемые селективным доступом, хорошо согласуются с марковским процессом 2-го порядка:

^ + 2 fa^ + mlS-w, (8)

где а>о - частота, /?- фактор затухания процесса, w - белый Гауссовый шум.

Уравнение (8) можно представить в виде:

C-f. (9,

здесь W/ и W2 — случайные независимые гауссовые центрированные величины с единичной дисперсией.

Элементы дискретной переходной матрицы есть:

фп = ехр(-рсо08 )[cos(ffl,8) + р(ш0 /co,)sin((o,S)]

фи = (l/íu,)exp(-/?«o(y)[sin(®,¿)]

Фп = ~аоФп

фг2 = ехр(-/Ц,<У )[cos(<y,<5) - /3(со0 / ta,) sin(a>,£)] где 5 - интервал времени между эпохами к и к+1, <а, =<аоЛ/Í-/F.

S Фи Фп S "п »12

с i+1 Фп Фп С 0 »22 W2

Ковариационная матрица Qw белого шума w имеет следующий вид:

qu = c2/(4/to03)[l -®0г /a>?exp(-2flco0S)(\ - fi2 cos(2й>,<У) + Рщ /<и0 sin(2fi>^))] Яч = <?21 = сг/(4/}<э,2)[ехр(-2у!?ю05)(1 - cos(2©,<5))]

q22 = с11 {A ft со0 )[l - а>1 /ю'ехр (.-2/3a)0S)(l - рг cos(2 a>,S) - fica,/а>0 sin(2aj,^))]

(И)

Заметим, что если бы было известно точное положение приемника, то погрешности измерений, вносимые селективным доступом, можно было бы "измерить":

Сформулируем следующую задачу. Необходимо найти положение и скорость потребителя, который проводит дальномерные и доплеровские измерения до спутников системы GPS. При корректировке измерений для повышения точности будем использовать в том числе и погрешности, вносимые селективным доступом. Оценка погрешностей селективного доступа будет вычисляться при помощи фильтра Калмана (6), а сама модель селективного доступа описывается уравнениями

Для решения этой задачи воспользуемся следующим подходом - на каждом моменте времени выделим три этапа.

На первом этапе определяется положение и скорость потребителя, а также уход и скорость ухода часов его приемника. При этом погрешности селективного доступа считаются ошибками измерений наряду с эфемеридными погрешностями, шумом приемника и др. То есть первый этап совпадает с обычной задачей навигации с использованием GPS.

На втором этапе решается задача определения погрешностей, создаваемых селективным доступом, на основе использования модели селективного доступа (9)-(11) и измерений (12), полученных в предыдущий момент времени к. Для решения этой задачи необходимо для каждого спутника / найти оценки двух параметров -частоты а>о и фактора затухания процесса р.

S, = е, - Iono, - Tropot - В+ Ь1-ц/1 C=o-F + ft - 4,

(12)

(9)-(И).

На третьем этапе повторяется задача определения положения и скорости потребителя, но уже с учетом найденных значений погрешностей, вносимых селективным доступом.

Данный адаптивный навигационный алгоритм-тестировался с использованием реальных измерений. Применение адаптивного навигационного алгоритма в условиях селективного доступа улучшает точность ОРБ-навигации потребителя на несколько десятков метров по сравнению с обычным фильтром Калмана. Причем точность повышается тем больше, чем сильнее проявляется фактор селективного доступа. Объем необходимых вычислений для реализации адаптивного алгоритма превосходит обычный фильтр Калмана приблизительно в 3-5 раз, что незначительно увеличивает весь объем навигационных вычислений.

Второе направление улучшения точности ОРБ-навигации для потребителя, приемник которого оборудован одной антенной, связано с использованием дополнительных фазовых измерений.

Кратко опишем постановку исходной навигационной задачи. В каждый момент времени 4 (к = 0,1,...) потребитель проводит дальномерные и фазовые измерения на частоте Ы до Я навигационных спутников системы СРБ. Решение задачи навигации потребителя заключается в определении в каждый момент времени собственного вектора X* на основе проводимых дальномерных и фазовых измерений { Я,,..., щ ,..., щ } от N спутников.

Уравнение для фазы I/// , измеряемой потребителем в момент времени Ц , содержит параметр неоднозначности фазовых измерений для г спутника, соответствующий целому числу циклов фазы принимаемого сигнала фазы. Для исключения параметров неоднозначности фазовых измерений М, из состава оцениваемых параметров воспользуемся методом двойных разностей. Традиционно данный прием применяется при совместной обработке фазовых измерений от двух и более антенн. Но в нашем распоряжении находится только одна антенна. Поэтому для образования разностей фазовых измерений воспользуемся измерениями, проведенными в соседних временных эпохах: текущей 4 и предыдущей 4./.

Применение метода двойных разностей изменяет состав измерений - вместо вектора 77' =|л' . r{ .. размерностью 2N мы располагаем вектором

измерений: = |й* ... Л" ... Vy/J_,|r размерностью 2N-1, где Vy/'-

изменение разности фазовых измерений i спутника с момента времени до момента th то есть вторая разность фазовых измерений. Заметим, чю если для какого-то спутника отсутствуют, например, фазовые измерения, то в этом случае просто уменьшается размерность вектора измерений.

Тестирование предложенного навигационного алгоритма определения

положения приемника, использующего одну антенну, на основе дальномерных и фазовых спутниковых измерений проводилось с использованием реальных измерений. Навигационные измерительные данные, эфемеридная информация,

данные для вычисления ионосферных поправок были получены при помощи комбинированного ГЛОНАСС/GPS приемника GG24 фирмы Ashtech. Положение ан1енны навигационного приемника было известно с сантиметровой точностью.

Сравнивались результаты навигационных определений следующих ч> алгоритмов: А - навигационный алгоритм Ashtech, использующий ГЛОНАСС/GPS дапьномерные навигационные измерения: S - навигационный алгоритм на основе M1IK и использующий только дальномерные GPS измерения; L - навигационный алгоритм на основе МПК и использующий дальномерные и фазовые GPS измерения.

Результаты тестирования показаны на рис. 4. На этих рисунках приведены

ишегральные характеристики навигационных определении - вероятности определения положения потребителя с точностью, указанной по оси абсцисс в метрах при помощи алгоритмов "A". "S" и "L". На левом рис. показана характеристика горизонтальной точности, а на правом - точноеib определения в пространстве (3-D). Измерения проводились каждую секунду, длительность теста соаавила свыше 10 час. Из представленных данных видно, что применение предложенного метода определения положения с использованием дальномерных и фазовых измерений повышает точность навигации на 1-1.5 м.

Рис 4. Горизонтальная и 3-D точность навигации, 38230 измерений.

Необходимо отметить также, что применение дополнительных фазовых измерений оказывает эффект сглаживания выходных данных навигационных определений, то есть не надо применять дополнительный фильтр. И если в качестве потребителя выступает, например, автомобиль, осуществляющий навигацию по карте, то в этом случае будут отсутствовать скачкй при отображении положения автомобиля на цифровой карте.

В главе 3 решается задача создания программного комплекса, обеспечивающего навигацию потребителя при совместном использовании навигационных систем GPS и ГЛОНАСС. На основе данного комплекса исследуется целесообразность применения ГЛОНАСС/GPS навигации для улучшения точности определения координат потребителя. Анализируются точностные характеристики ГЛОНАСС/GPS навигации в условиях, когда в системе GPS применяется селективный доступ и при его отсутствии.

В качестве источника измерительных, эфемеридных данных применялся комбинированный ГЛОНАСС/GPS приемник GG24 фирмы Ashtech. Особенностью приемника Ashtech GG24 является возможность передачи для последующей обработки сырых ГЛОНАСС/GPS данных с антенного блока.

Данный навигационный алгоритм реализован как Windows-приложение и работает как в режиме реального времени, так и в режиме постпроцессорной обработки данных. Программа написана на языке Visual С++ с использованием библиотеки MFC. На рис. 5 приведена копия экрана в процессе работы этой программы.

Рис.5. Экран программного ГЛОНАСС/GPS навигационного комплекса.

Помимо вычисления своих координат комплекс позволяет определить текущую ошибку навигации, а также провести сравнение точности навигации с программным обеспечением приемника Ashtech GG24. Точность сравнивается по двум характеристикам (A-Ashtech, F-разработанный навигационный алгоритм): А2 и F2 - точность определения положения в горизонтальной плоскости; A3 и F3 — точность определения в пространстве.

В исходных данных разработанного навигационного комплекса задаются следующие параметры:

■ режим функционирования комплекса -

о реальный масштаб времени;

о постпроцессорная обработка данных;

■ способ обработки навигационных измерений -

о метод наименьших квадратов на основе одномоментных измерений;

о фильтр Калмана;

■ тип навигационных спутников, использующихся в навигации -о только спутники системы GPS;

о только спутники системы ГЛОНАСС; о спутники систем GPS и ГЛОНАСС;

■ минимальная величина угла возвышения спутника;

■ требование определения величины смещения между шкалами времени систем GPS и ГЛОНАСС;

■ тип алгоритма контроля целостности данных.

Применение данного комплекса позволило сделать следующие выводы о целесообразности использования ГЛОНАСС/GPS навигации:

• в условиях действия селективного доступа к системе GPS использование дополнительных ГЛОНАСС спутников существенно (на 20-30%) повышает точность GPS навигации и уменьшает влияние селективного доступа, в среднем горизонтальная точность составляет 10-15 метров;

• в условиях отсутствия селективного доступа использование дополнительных ГЛОНАСС измерений точность GPS навигации практически не меняет.

Данные тестирования также свидетельствуют, что разработанный навигационный алгоритм обладает лучшей точностью навигации, нежели приемник Ashtech GG24.

Решается задача определения скорости потребителя в случае, когда доступны только дальномерные измерения. Причем определение скорости основывается на проведении одномоментных навигационных спутниковых дальномерных измерений, а сама модель движения потребителя неизвестна. Такая ситуация имеет место, например, если навигационный приемник находится на борту самолета, совершающего резкие маневры и ускорения. Результаты тестирования показали, что точность определения скорости разработанным способом в среднем приблизительно в 3 раза превосходит точность определения скорости навигационным приемником Ashtech GG24, причем все исходные данные: эфемериды, измерительные данные - идентичны.

В главе 4 решается задача навигации с использованием широкозонной дифференциальной системы WAAS.

Система WAAS расширяет возможности системы GPS на основе передачи через геостационарные спутники (GEO) дополнительных данных. Эти WAAS-сообщения корректируют обычные GPS-навигационные измерения, что позволяет определить координаты с более высокой точностью. Помимо улучшения качества навигационного обслуживания система WAAS передает данные, позволяющие вычислить по специальной методике точность определения положения потребителя. Геостационарные спутники используются как навигационные наряду со спутниками GPS. Система WAAS позволяет также передавать корректирующие данные для системы ГЛОНАСС. Наземный комплекс системы WAAS включает в себя: главные станции, базовые станции и центры передачи данных.

Передача WAAS данных GPS/WAAS радиосигналы

Рис. 6. Блок-схема наземного комплекса системы WAAS.

Блок-схема работы всего наземного комплекса системы WAAS представлена на рис. 6.

Приводится описание сообщений и данных, передаваемых системой WAAS. Проведен анализ WAAS сообщений, при которых возможен тот или иной режим навигации.

Основными показателями точности в системе WAAS являются:

• HPLwaas (Horizontal Protection LevelWAAS) - радиус круга в горизонтальной плоскости с центром в точке реального положения потребителя;

• VPLwaas ( Vertical Protection Level waas) — половина длины отрезка в вертикальном направлении с центром в точке реального положения потребителя.

На основе рекомендаций RTCA разработан алгоритм оценки точности определения положения потребителя, использующего GPS/WAAS оборудование при различных режимах полета - вычисление величин HPLwaas и VPLwaas . Определены схемы вычисления корректирующих добавок к навигационным измерениям и ионосферных поправок на основе сообщений WAAS. Алгоритмы GPS/WAAS навигации реализованы в виде соответствующего программного обеспечения.

Глава 5 посвящена анализу результатов задачи навигации потребителя с использованием системы GPS/WAAS. Тестирование GPS/WAAS навигационных алгоритмов проводилось несколькими способами, различающимися характером GPS/WAAS сигналов и динамикой потребителя. Под характером GPS/WAAS сигнала понимается способ его генерации - при помощи имитационного моделирования или действующими навигационными GPS и WAAS спутниками. Имитационное моделирование проводилось с использованием GPS/GLONASS Satellite Simulator, позволяющий генерировать WAAS сообщения. Тестирование GPS/WAAS навигационных алгоритмов проводилось для двух географических положений приемника. Первый приемник находился в Японии, где были доступны WAAS сигналы, передаваемые спутником Inmarsat POR. Но точность навигации, обеспечиваемая этим спутником, соответствовала только режиму "грубой посадки". Навигация в режиме "точной посадки" не обеспечивалась из-за отсутствия данных об ионосферной информации для координат приемника, которая передается при помощи WAAS сообщений 10, 18 и 26. Для тестирования алгоритмов в режиме "точной посадки" применялись навигационные данные, полученные в США. Причем второй приемник находился в зоне видимости сразу двух WAAS спутников: Inmarsat POR и Inmarsat AOR-W.

В данной работе основной акцент делается на навигации авиационного потребителя, поэтому важным является исследование влияния динамики на точность навигации. Изучение влияния большой динамики потребителя в основном проводилось с использованием имитационного GPS/WAAS 1симулятора. Данный симулятор позволяет имитировать движение потребителя, например, самолета практически без каких-либо ограничений, с любой скоростью и совершать любые маневры.

Был рассмотрен типичный сценарий полета: "взлет, полет по маршруту, посадка" (табл. 1). При имитации ошибок измерения дальностей до GPS спутников предполагалось, что эти ошибки распределены по нормальному закону с нулевым математическим ожиданием и СКО равным 33 м: AR, ~ N(0, ЗЗ2).

Табл. 1. Сценарий "взлет, полет по маршруту, посадка"

| № Маневр Длительность, сек Изменение... |

1 Стоянка 1

2 Разгон 10 скорости на +200 м/с |

3 Набор высоты 91 высоты на +8000 м |

4 Разгон 7 скорости на +50 м/с |

5 Прямолинейный полет 10

6 Поворот 27 курса на +90° 1

7 Прямолинейный полет 10

8 Поворот 27 курса на +90°

9 Прямолинейный полет 10

10 Поворот 27 курса на +90°

I 111 Прямолинейный полет 10

| 12 | Поворот 27 курса на +90°

[ 13 | Прямолинейный полет 10

14 1 Снижение 95 высоты на -8000 м

15 | Торможение 7 скорости до 0 м/с

Результаты моделирования с использованием GPS/WAAS симулятора показали, что в режиме "точная посадка" точность определения положения самолета в пространстве составляет не менее 7 м. Ошибка определения скорости самолета в среднем не превышает 0.1-0.2 м/с. Данные результаты были получены навигационным GPS/WAAS алгоритмом, использующим МНК на основе одномоментных измерений.

Было проведено исследование степени влияния изменения скорости на точность навигации. Для исключения влияния высоты на точность навигации сценарий "разгон, полет с постоянной высотой, торможение" (табл. 2) не предусматривал изменения высоты потребителя. В качестве- навигационных алгоритмов использовались (и сравнивались) два алгоритма: метод наименьших квадратов на основе одномоментных измерений (ЬБМ); фильтр Калмана (ЕЮ7).

Табл. 2. Сценарий "разгон, полет с постоянной высотой, торможение"

№ Маневр Длительность, сек Изменение...

1 Стоянка 1

2 Разгон 10 скорости на +200 м/с

3 Прямолинейный полет 500

4 Торможение 10 скорости до 0 м/с

5 Стоянка 35

При имитации ошибок измерения дальностей до навигационных GPS спутников предполагалось, что эти ошибки описываются гаусс-марковским процессом 2-го порядка с автокорреляционным временем 118 с и СКО равным 23 м и случайной гауссовой величиной с нулевым математическим ожиданием и СКО равным 23 метрам: AR, е M(t, 118,232) + N(О,232).

Точность навигационного GPS/WAAS алгоритма на основе M.H.K, при имитационном моделировании составляет около 10 м. Алгоритм на основе фильтра Калмана и использующий линейную модель движения самолета такую точность навигации обеспечивает только при прямолинейном полете без ускорения (рис. 7). В случае полета с ускорением, то есть при разгоне и торможении, ошибка навигации с использованием фильтра Калмана достигает 50-60 м.

Одним из путей повышения точности навигации объекта, обладающего высокой динамикой - это расширение оцениваемого вектора и введение в него параметров ускорения. Это, в свою очередь, увеличивает размерность и уменьшает быстродействие навигационного алгоритма.

В работе используется другой алгоритм. Суть его заключается в вычислении проекций ускорения на основе полученных оценок скорости для каждого к-го шага измерений:

(в)

Коррекция фазового вектора потребителя осуществляется поэтапно. Вначале корректируются составляющие апостериорной оценки вектора скорости:

У;к = Кк+ахк-8, У;к=У;к+ап-8, Уг\ = У,\ + ап ■ 3, 1 (14)

а затем составляющие априорной оценки вектора положения потребителя:

х'ы =х'м+ахк-8г12, Ум=Ум+ап-32/2, г4"+1 =г'м +агк-5г!2. (15)

Предложенный алгоритм учета ускорения (13-15) при вычислении оценок положения и скорости потребителя, использующего при навигации фильтр Калмана, существенно повышает точность навигации потребителя, совершающего маневры. Результаты применения этого алгоритма приведены на рис. 8. (

Ошибка определения положения в пространстве, м

Ошибка определения положения в пространстве, м (модель движения объекта учитывает ускорение)

Рис. 7. Рис. 8.

Проведено тестирование GPS/WAAS навигации в режиме "точной посадки" с использованием реальных данных. В среднем горизонтальная и вертикальная точность GPS/WAAS навигации в режиме "точная посадка" не хуже 5 м, в то время как значения величин HPLWAAS и VPLwaas достигают 15 м. Иными словами, реальная точность навигации меньше расчетной, гарантируемой приблизительно в три раза. Результаты одного из тестов продолжительностью 8 часов приведены на рис. 9, где ЕгН и ErV - горизонтальная и вертикальная ошибки определения положения.

Проведено сравнение точности GPS/WAAS навигации при включении в состав обрабатываемых GPS измерений навигационных измерений от WAAS спутника. Было получено, что влияние дополнительного WAAS измерения оказывается сравнительно небольшим.

Горизонтальная ошибка навиышш и HPL, ч Вертикальная ошибка навигации и VPL. м

2 5 5 7,5 10 15 20 2.5 5 7,5 10 15 20

Рис. 9. GPS/WAAS навигация, режим "точная посадка", дата 23/09/99.

Анализ результатов полетного тестирования показал, что основная проблема GPS/WAAS навигации авиационного потребителя - это исчезновение из зоны видимости антенны навигаичонных спутников при совершении маневров. В первую очередь это относится к GEO спутникам, передающим WAAS сообщения. Поскольку при взлете или посадке углы крена и тангажа самолета могут изменяться на 15° - 30° , то вследствие этого нехоторые навигационные спутники могут затеняться самим самолетом. Поэтому для обеспечения большей надежности рекомендуется дублировать навигационные вычисления.

Результаты тестовых полетов, прошедших вблизи аэродрома Sendai на севере Японии показали, что в режиме "грубая посадка" точность определения положения в пространстве на полешых участках без каких-либо маневров достигала 10 м, при маневрировании - 100-150 м. Основное втияние на точность авиационного потребителя оказывает уменьшение радиовидимости спутников, которое может возникнуть при маневрировании самолета.

В главе 6 рассматриваются задачи определения положения потребителя при совместном использовании спутниковых и дополнительных измерений: барометрических и угловых. Данное комплексирование осуществляется с целью

повышения точности навигации авиационного потребителя и целостности навигационного обеспечения.

Применение данных высотомера в GPS навигации рассматривается как дополнительное дальномерное измерение щаг0. В соответствий с терминологией 1 главы для данных высотомера вводится в рассмотрение невязка барометрических измерений:

= (л/*2 + y2+z2-Rwas + //„„) - , (16)

здесь Rwgs~ радиус WGS-эллипсоида в точке с координатами (х, у, z), Hsm - высота уровня моря в точке (х, у, z), hbaro - данные высотомера.

Приводится способ вычисления дисперсии ошибки барометрических данных. Данный способ основывается на методике, рекомендуемой Радиотехническим Комитетом по Аэронавтике для вычисления ошибки данных высотомера при проведении калибровки данных на основе GPS вычислений.

Для повышения точности навигации при совместном использовании системы GPS/WAAS и высотомера применяется программная корректировка барометрических данных. Сущность программной корректировки барометрических данных заключается в следующем. В случае, когда при GPS/WAAS навигации доступны режимы "точная" или "грубая посадка" определение положения потребителя происходит без использования данных высотомера. Но при этом для каждой эпохи измерений определяется погрешность барометрических данных как разность между высотой на основе GPS/WAAS навигации и показаний высотомера: hbaro correction= hGPS/WAAS - hbaro ■ В случае невозможности навигации в режимах "точная" или "грубая посадка" определение положения происходит на основе GPS/WAAS и барометрических данных совместно с ранее вычисленной погрешностью барометрических данных hbamcorrec„on. Блок-схема алгоритма программной коррекции барометрических данных приведена на рис. 10.

Необходимо заметить, что данные высотомера в совместной GPS и баро-навигации используются только тогда, когда эти данные улучшают точность определения положения. Для этого проводится и сравнивается оценка точности на

основе одних GPS данных и при совместном использовании GPS и барометрических данных.

Рис.10. Вычисление и применение программной баро-коррекции.

Данная методика была опробована в тестовых полетах. Результаты полетов показали, что применение этой методики комплексирования GPS/WAAS и барометрических данных повышает точность навигации авиационного потребителя в режимах "полет по маршруту" и "полет до пункта назначения": улучшение точности GPS навигации достигало 30 - 50 м. При неблагоприятной конфигурации рабочего GPS созвездия улучшение точности навигации достигало 100-200 м.

Для повышения точности навигации при недостаточном числе измерений (меньше четырех) необходимо использовать дополнительные источники информации о координатах потребителя. Применение инерциальной навигационной системы сдерживается ее высокой стоимостью. В последнее время рядом фирм были разработаны недорогие магнитные датчики, позволяющие определить потребителю свое угловое положение с точностью около 0.5°.

Уравнения измерений для угловых величин можно представить в виде

h = arctg{yIx)-arctg{Ay/Ax) + e , p = arctg(Azlл(Ас)2 +(Ay)2)+p , (17) где h - курсовой угол потребителя; р - угол наклона траектории потребителя; Ax, Ay, Az - приращения координат потребителя х, у, z, соответственно; е, р - ошибки измерений соответствующих угловых величин.

Структура навигационного алгоритма маневрирующего потребителя на основе ГЛОНАСС/GPS навигации совместно с угловыми измерениями магнитного датчика задается следующим образом.

При достаточном числе измерений определяется расширенный вектор потребителя на основе метода МНК (3). При этом используются только ГЛОНАСС/GPS измерения.

В случае видимости менее четырех спутников определение положения и скорости потребителя осуществляется на основе фильтра Калмана (6), причем в состав измерений входят как спутниковые дальномерные и доплеровские измерения, так и угловые измерения магнитного датчика.

Тестирование навигационного алгоритма на основе ГЛОНАСС/GPS и угловых измерений проводилось при помощи имитационного моделирования с использованием GPS/GLONASS Satellite Simulator. Моделирование угловых измерений осуществлялось на основе известных истинных координатах и с использованием датчика нормально распределенных случайных чисел.

Была решена задача навигации космического аппарата, совершающего суборбитальный полет на постояннёй высоте 75 км над Землей со скоростью 6 км/с. В процессе полета угол крена аппарата варьировался от +60° до -60°. Число доступных дальномерных GPS измерений, выдаваемых приемником Javad JGG20 при моделировании данной задачи, изменялось от 2 до 6. Данные об ошибках определения положения в пространстве с использованием только GPS измерений и совместных GPS + угловых измерений приведены на рис.11.

GPS измерения

! м

! 500

I 400

I 300

| гоо

I 100

! в

101 201 301 401

Рис. 11. Ошибка 3D навигации: GPS измерения и GPS+угловые измерения.

Как видим, применение традиционной GPS навигации фактически не позволяет решить задачу определения координат маневрирующего космического аппарата, совершающего суборбитальный полет. При использовании дополнительных угловых измерений точность навигации не хуже 200-300 м за исключением некоторых моментов времени (всего несколько эпох навигационных измерений), когда ошибка достигает 1 км. Причем большая часть времени полета проходит с ошибкой навигации порядка 50 м.

Целью главы 7 является решение задачи автономного контроля целостности данных в приемнике. Применение алгоритма автономного контроля целостности в приемнике (Receiver Autonomous Integrity Monitoring - RAIM) позволяет обнаружить и исключить из рабочего созвездия потребителя неверного навигационного измерения, повысить достоверность вычисленных данных о координатах потребителя.

Предварительно была исследована возможность наличия неверного измерения при проведении GPS/WAAS навигации. Было установлено, что одной из причин возникновения неверного измерения может быть плохие условия радиовидимости соответствующего навигационного спутника, например, если угол возвышения спутника составляет 8°-10°.

В работе рассматривается RAIM алгоритм типа "snapshot" (моментальный снимок), использующий одномоментные измерения.

Вводится в рассмотрение следующая скалярная величина, являющаяся взвешенной суммой квадратов ошибок дальномерных измерений:

ёт W e = [{l-G-{GT-W Gr-G-W) ^]-W\{I-G-(GT-W-G)"-G W) ^] (18) В качестве тестовой статистики для принятия решения о наличии неверного дальномерного измерения используется взвешенная сумма квадратов ошибок дальномерных измерений:

-w-s (19)

Исследовались и другие величины, применяемые в качестве тестовой статистики. В частности, при формировании тестовой статистики использовалась

информация об отношении уровня сигнала к уровню шума в приемнике SNR (Signal-to-Noise Ratio):

т1ёт -SNR2 -ё (20)

Проведенные исследования на реальном оборудовании и с реальными измерительными данными показали слабую эффективность статистики (20). Причина такого результата заключается в том, что в современном навигационном приемнике величина SNR в основном зависит от геометрического взаимного расположения спутник-приемник.

Сделан вывод, что именно взвешенная сумма квадратов ошибок дальномерных измерений -W-с является наиболее адекватным критерием в задаче о наличии неверного измерения.

Было использовано предположение, что сумма квадратов ошибок дальномерных измерений ёт -W-ё имеет £ распределение с N-4 степенями свободы, где TV - число спутников, участвующих в навигационном сеансе.

При разработке навигационного оборудования обычно регламентируется вероятность ложного обнаружения неверного измерения PFA (FA - false alarm): 1 -р„>р{{ёт-W-s)<T2} , (21)

превышение статистикой 4sT -W-ё порога T считается, что в составе измерений есть неверное измерение.

Для авиационного GPS/WAAS навигационного оборудования ложное обнаружение неверного измерения допустимо с вероятностью /Ул=3.33х10~'.

С учетом предположения о том, что случайная величина ёт -W-ё имеет £ распределение с N-4 степенями свободы, имеем

, Г7

1 -Р„=— (22)

Г(а) о

дг_4

где а =—-—, Г(...)- неполная Г-функция.

Таким образом, алгоритм RAIM заключается в сравнении текущего значения статистики 4ёт • W • ё с величиной порога Т, вычисляемой при помощи (22). И если

значение -W■£ превышает порог Т для соответствующего числа видимых спутников N, то в составе дальномерных измерений есть неверное измерение.

Особенностью данного алгоритма RAIM является универсальность и способность работать с различным типом измерений: GPS, WAAS, ГЛОНАСС, барометрических.

Для поиска неверного измерения применяется следующая вычислительная процедура. Последовательно удаляется каждое i измерение ( i = 1, ...,N) и на основе оставшихся {ЛЧ }у измерений решается задача определения положения. Знак"\г" означает, что /-измерение исключено из состава измерений. Очевидно, что в случае, когда из состава измерений исключено неверное измерение, оценка положения потребителя будет меньше всего отличаться от оценки положений, вычисленной на предыдущем сеансе измерений по всем {N} измерениям.

Математическая постановка задачи поиска неверного измерения может быть записана в виде:

j = argmini: {N-1K, (23)

1=1, л

здесь K{N-\- критерий, характеризующий отличие оценки положения

потребителя на основе N-1 измерений от эталонной оценки, /-измерение исключено из состава измерений.

В качестве эталонной оценки положения потребителя используется оценка, вычисленная на основе всех N измерений на предыдущем сеансе измерений.

Проведен выбор наилучшего критерия ЛТ{...}, позволяющего корректно выявить неверное измерение и обладающего хорошими вычислительными характеристиками: |дг ду — |Дх ду Az|^4J - расстояние между поправками к

положению потребителя, вычисленное на основе {N} и {ЛЧ} измерений соответственно. При исключении неверного измерения значение критерия АГ{...} будет наименьшим из всех остальных.

Рассчитаны и затабулированы значения порога Т для различных типов навигации: GPS, GPS/WAAS, ГЛОНАСС/GPS.

Предложен эвристический алгоритм оптимизации состава измерений, повышающий точность навигации. Алгоритм заключается в поиске и удалении измерения, которое ухудшает точность навигации. Применяется алгоритм при значениях тестовой статистики ёт ■ IV ■ ё, не превышающих пор ¿г Т.

Данный алгоритм основывается на вычислении вероятности принадлежности каждой I (/ =1,...Д) из N тестовых статистик л/ет -ИР-ё^-ц определенному отрезку [Т\,Т2]. Причем начало и конец этого отрезка вычисляется на основе значений (реализаций) всех N-1 статистик. Тестовые статистики ^ёт-¡У-ё{ЛМ| вычисляются при удалении по очереди каждого из N измерений. При вычислении вероятности Р{ Т, 5\/гг •И'-.г,«-!! <Т2 } для упрощения расчетов функция плотностей вероятностей величины -IV-£[Ы-„ аппроксимируется гауссовой. Далее найденное значение вероятности сравнивается с заданным: 1 -РГА > Р{ Тх <, -1ёт -IV-с (Л,_„ < Т2 } . В случае, если это условие нарушается, то делается вывод об исключении данного измерения из состава измерений.

Проведено сравнение точности ГЛОНАСС/СРБ навигации с применением обычного и модифицированного ИА1М алгоритма (табл. 3). В ряде случаев улучшение точности навигации при использовании мод. ЯА1М достигает 25 метров.

Табл. 3. Сравнение ИА1М алгоритмов, ДР = РЗовычный ра1м - РЗмод яаш

Дата записи сырых данных 12/05/00 26/06/00

Количество сеансов измерений 6988 9090

ДР, осредненное по всем сеансам измерений 2.9 м 0.1 м

Доля сеансов, когда применялся мод. ИА1М алгоритм 30% 7%

ДР, осредненное по сеансам, когда прим. мод. КАШ алгоритм 9.6 м 1.5 м

Для обнаружения неверного доплеровского измерения" был предложен и апробирован алгоритм ЯА1М для обработки одномоментных доплеровских измерений. Данный алгоритм принимает решение о наличии неверного доплеровского измерения на основе отличия оценок скорости потребителя, вычисленных при исключении соответствующих измерений.

В главе 8 решается задача навигации в реальном времени движущегося потребителя при помощи цифровых карт. Предполагается, что потребителем является самолет или вертолет, использующий при определении положения спутниковое навигационное оборудование. В бортовой компьютер входит дисплей, реагирующий на нажатие - touch-screen. Разработана программа NaviMap (Navigation & Map), осуществляющая навигацию потребителя на основе цифровых карт.

Проведен обзор цифровых карт, используемых в навигации. Рассмотрены три типа цифровых карт: оцифрованные бумажные (растровые) карты, базы данных-карт, гибридные карты. В качестве карт, отображаемых на экране бортового компьютера, были выбраны комбинированные карты, использующие как основу растровые карты, а некоторые элементы - полетный маршрут, направление движения - векторные. Приводится способ подготовки цифровых карт, состоящий из пяти этапов: 1) сканирование, 2) изменение графического формата и масштаба, 3) изменение цветовой палитры, 4) фрагментирование, 5) привязка карты.

Разработаны две версии программного обеспечения. Первая версия предназначена для одиночного бортового навигационного компьютера. Для этой версии в качестве операционной системы была выбрана 32-х разрядная мультизадачная Windows (Windows-9x/2k/XP).

Вторая версия программного обеспечения предназначена для бортового навигационного комплекса. Данный комплекс состоит из навигационного сервера и нескольких бортовых компьютеров, объединенных в единую сеть. В качестве операционной системы используется система Linux, язык программирования С++ и библиотека разработчика Qt.

Была предложена концепция построения программного обеспечения для бортового навигационного компьютера, функционирующего в реальном времени и обрабатывающего данные о координатах объекта и команды пилота. Для наибоиее эффективного функционирования программы NaviMap использовалась мультизадачность (или многопотоковость) с заданием различных приоритетов. Это дало возможность минимизировать время реакции программы на действия пилота и

при этом не создавать больших пиковых нагрузок на компьютер. С этой целью программа №у1Мар была разбита на пять задач (потоков). Блок-схема внутренней реализации программы №у1Мар представлена на рисунке 12.

Рис. 12. Внутренняя реализация программы NaviMap.

Рассматривается назначение каждой из пяти задач-потоков, при помощи которых и реализована программа NaviMap.

Main - обеспечивает взаимодействие с операционной системой, управляет остальными потоками, реализует интерфейс с человеком, выводит данные на дисплей.

External Data - читает данные из внешних устройств, подсоединенных К бортовому компьютеру при помощи серийных портов RS-232. Эти данные обрабатываются и записываются в общую память, доступную для чтения другими задачами. NaviMap допускает одновременное подсоединение трех внешних устройств: GPS/WAAS (GPS, ГЛОНАСС, ГЛОНАСС/GPS) датчика или GNSS-транспондер; электромагнитный компас; специальные поисковые устройства.

Watch Dog - периодически проверяет возможное подсоединение новых внешних устройств или возобновление передачи данных ранее работавших устройств.

Terrain Data — обеспечивает чтение и расчет данных о высоте поверхности Земли из специальной базы данных.

Map Preparation - предназначена для повышения загрузки фракменюв карiы в оперативною памя1ь компьютера. Эта задача на основе провоза движения пофебителя определяет фрагменты карты, которые потребуются при условии, что объект будет двигаться в том же направлении.

Рис. 13 Окно КамМар, горизоч!альное распо южение дисппея

1!риводи1Ся описание оконного ишерфейса профаммы Ка\1Мар. На рис. 13 показано окно программы \a\iMap при гориюнтапыюм расположении жрана. В основном режиме про1рамма помещает симво 1-061,ек I в центре экрана на фоне соо1ве1сгв\ющеи части карты: в этом сл\чае при движении объекта движется сама карта. Существует гакже возможность зафиксировать карт_\. то есть сделать ее неподвижной; при этом движение будет осуществлять символ-объект.

Рассматриваются основные режимы Ка\ММар Некоторые режимы можно пспопьзовать только в том спчае, если дос1>пны соответствующие данные.

PAN - обеспечивает тактический просмотр карт при помощи всплывающих стрелок-указателей. Данный режим также позволяет поменять движение карты при неподвижном символе-объекте на движение самого объекта при неподвижной карте.

Cursor - предназначен для установки путевой точки WP 4.

Режим Map позволяет изменить тип карты и, соответственно, масштаб.

Режим DF (DeFine direction) позволяет осуществлять поиск различных объектов, снабженных соответствующей аппаратурой.

В режиме Manual навигация происходит в ручном режиме.

Режим Trace выводит на карту пройденный маршрут.

Режим SaR (Search and Rescue) предназначен для проведения поисково-спасательных работ и заключается в прокладке маршрута.

Режим Event позволяет «помечать» на карте какие-либо пройденные точки или ранее установленные путевые точки специальными флажками.

Режим FPL позволяет сформировать полетный маршрут, а также осуществляет коррекцию ранее выбранного маршрута.

С целью повышения безопасности посадки NaviMap обеспечивает пилота всей необходимой информацией как для Подготовки посадки, так и при осуществлении самой посадки. Программа NaviMap в режиме Арр (Approach) позволяет просмотреть расположение ближайших взлётно-посадочных полос - терминальных карт. Далее, пилот может ознакомиться с картой взлетно-посадочной полосы: тип, длина и расположение полосы, их количество, направление захода на посадку.

Следующая важнейшая задача, решение которой осуществляется NaviMap в режиме Арр - это навигация по карте при посадке самолета. На рис. 14 показана навигация самолета при помощи терминальной карты, осуществляемая программой NaviMap в режиме Арр. Очевидно, что для навигации по карте в режиме посадки необходима дифференциальная коррекция. Для большей безопасности рекомендуется также включить режим показа высоты полета самолета над поверхностью Земли.

Таким образом, применение при пилотировании навигации по терминальной карте, предоставляемой NaviMap в режиме Арр, обеспечивает пилота посадочными

данными, удобными для восприятия и объединяющие карту, высотомер, указатель курса и показатель текущей скорости.

Рис. 14. Окно NaviMap - режим Approach, навигация по терминальной карте.

Поскольку ОР8ЛУАА5> навигация не обеспечивает определение курса с приемлемой точностью при малых скоростях, то для этой цели используется электромагнитный компас. Данное устройство подсоединяется к бортовому компьютеру при помощи любого свободного 118-232 порта.

Применение С^в-транспондеров предоставляет более широкие возможности при навигации. 0№8-транспондер представляет собой устройство, объединяющее в себе ОРБ-сенсор и радиопередатчик / радиоприемник. Каждый транспондф постоянно передает свои координаты. А принимает он, во-первж, дифференциальные поправки от базовой станции, и, во-вторых, данные о положении других объектов, снабженных такими же устройствами. Это дагг возможность осуществлять мониторинг за всеми объектами каждому потребителю. Блок-схема навигации на основе О^Б-транспондеров представлена на рис. 15.

Применение программы №у1Мар для мониторинга за движущимися объектами, снабженными С№8-транспондерами, представлено на рис.16.

Рис. 16. Мониторинг NaviMap с использованием GNSS-транспондеров.

Данные, представленные на рис.16 были получены на основе тестового полета в Германии. Дата полета - 17/7/97, длительность около 30 минут. На рис. 13 видно, что в районе Bremen находятся два объекта, идентификационные имена которых «@EDDWB0-.> и «D-COLC».

Тестирование NaviMap проводилось в соответствии с разработанной специальной методикой, что позволило создать достаточно надежный и быстродействующий вариант программы NaviMap. Демонстрационная версия программы доступна при помощи Интернета: http://www.kurshin.orc.ru .

В приложении 1 приведено описание программного обеспечения ГЛОНАСС/GPS навигации: диаграммы данных и блок-схемы подпрограмм.

В приложении 2 приведено описание программного обеспечения GPS/WAAS навигации: диаграммы данных и блок-схемы подпрограмм.

В приложении 3 представлен компакт-диск с демонстрационной версяей программы NaviMap, осуществляющей навигацию по цифровой карте. На этом же диске представлены программы PhaseC (совместное использование дальномерныж и фазовых GPS измерений) и RealGG (совместное использование дальномерных GPS и ГЛОНАСС измерений). Данные измерений, эфемеридные данные были получеяы при помощи навигационного приемника Ashtech GG24.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

На основе результатов, полученных в диссертации, можно сделать следующие выводы:

1. Разработано и апробировано программное обеспечение решения задани определения положения и скорости авиационного потребителя на осшве спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС/GPS/WAAS. Даниле программное обеспечение основывается на навигационных алгоритввх, использующих как одномоментные измерения, так и измерения нарастающего объема. При ГЛОНАСС/GPS навигации программный навигационный комплекс использует реальные необработанные данные, транслируемые приемниками Ashtech либо Javad.

2. Разработана архитектура построения программного обеспечения бортового навигационного компьютера, реализующего визуализация текущего положения

потребителя на цифровой карте. Для повышения безопасности пилотирования и эргонометрических характеристик в бортовом навигационном компьютере

предлагается использовать реагирующий на нажатие дисплей.

* * -

3. Создана программа Мау1Мар, осуществляющая навигацию по цифровой карте. Программа, функционирующая в режиме реального времени, состоит из нескольких потоков, выполняемых одновременно и имеющих различные приоритеты. Это обеспечивает высокое быстродействие и надежность программного обеспечения.

4. Разработан программно-аппаратный комплекс, позволяющий проводить многократную отладку навигационных алгоритмов. Данный комплекс при работе с реальными измерительными данными, полученными в тестовом полете, помимо определения координат потребителя сохраняет эти данные в запоминающем устройстве. Это дает возможность устранить программные ошибки и найти оптимальные настроечные параметры алгоритма при минимальном числе тестовых полетов.

5. Разработан адаптивный навигационный алгоритм, розволяющий в условиях селективного доступа улучшить точность ОРБ-навигации потребителя на несколько десятков метров по сравнению с обычным фильтром Калмана. При отсутствии селективного доступа данный адаптивный алгоритм может использоваться для оценок параметров тропосферных и ионосферных погрешностей с целью применения в навигационных алгоритмах более точных моделей.

6. Разработан алгоритм определения положения приемника, использующего одну антенну, на основе дальномерных и фазовых спутниковых измерений. Помимо улучшения точности навигации на 1-1.5 м, также обеспечивается сглаживание данных навигационных определений. Объем необходимых вычислений для реализации предложенного алгоритма незначительно увеличивает весь объем навигационных вычислений.

7. Проведено тестирование навигационных алгоритмов в полетных условиях, когда возможна GPS/WAAS навигация в режиме "грубая посадка". Показано, что основное влияние на точность авиационного потребителя оказывает уменьшение радиовидимости спутников, которое может возникнуть при маневрировании самолета. Осуществлено тестирование GPS/WAAS алгоритмов для неподвижного потребителя в условиях, когда доступен весь объем WAAS сообщений. Получено, что в 98-99% реальная горизонтальная и вертикальная точность навигации не превышает 5 метров. Оценка точности (параметры HPLwaas и VPLwaas) превышает реальную точность приблизительно в три раза.

8. Решена задача комплексирования GPS/WAAS и барометрических данных для определения положения самолета. Для повышения точности данных высотомера предложена методика проведения программной коррекции барометрических данных. Данная методика использовалась в задаче определения положения самолета, совершавшего тестовые полеты. Было получено, что применение программно корректируемых барометрических данных в условиях GPS навигации по спутниковому созвездию с плохим геометрическим фактором повышает точность определения положения самолета на 100-200 метров. Например, точность определения положения самолета в пространстве только на основе GPS-данных составляет 200-250 метров, а применение данных высотомера улучшает точность определения положения до 10-50 метров.

9. Разработан навигационный алгоритм, использующий спутниковые и дополнительные угловые измерения от магнитного датчика. Проведено тестирование данного алгоритма с использованием имитационного моделирования. Было получено, что применение дополнительных угловых измерений совместно с ГЛОНАСС/GPS навигацией позволяет решить задачу определения координат маневрирующего потребителя в условиях недостаточного числа спутниковых измерений.

10. Для повышения точности ГЛОНАСС/GPS навигации был предложен модифицированный RAIM алгоритм. Данный алгоритм помимо автономного контроля целостности данных включает в себя эвристический алгоритм оптимизации состава измерений. При тестировании б^гло получено, что применение модифицированного RAIM алгоритма в ряде случаев повышает точность определения положения в пространстве на 20-25 м: вместо 30-35 м ГЛОНАСС/GPS навигация осуществляется с точностью 5-15 м.

11 .Разработано программное обеспечение для специализированного бортового навигационного комплекса, состоящего из навигационного сервера и нескольких бортовых компьютеров, объединенных в единую сеть и обеспечивающего

навигацию по цифровым картам в реальном масштабе времени.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Малышев В.В., Куршин В.В. Адаптивный навигационный алгоритм в условиях селективного доступа к системе GPS // Известия Академии наук. Теория и системы управления. М., 2001, №5, с. 134-142.

2. Малышев В.В., Куршин В.В. Определение положения потребителя с использованием одиночной антенны на основе дальномерных и фазовых измерений // Известия Академии наук. Теория и системы управления. М., 2003, №2, с.141-146.

3. Куршин В.В. Тестирование GPS/WAAS/ГЛОНЛСС алгоритмов. Электронный журнал "Труды МАИ", 2003, № 12. http://www.mai.ru.

4. Малышев В.В., Куршин В.В. Навигация на основе ГЛОНАСС/GPS и угловых измерений в условиях ограниченной радиовидимости // Известия Академии наук. Теория и системы управления. М., 2003, №5.

5. Малышев В.В., Куршин В.В. Навигация авиационного потребителя с' использованием цифровых карт. Электронный журнал "Труды МАИ", 2003, № 12. http://www.mai.ru.

6. Куршин В.В. Навигация на основе ГЛОНАСС/GPS измерений и информации от двухосного магнитного датчика. Тезисы докладов научно-технической конференции ФГУП "РНИИ ЮТ'. Москва, 2003, с.28.

7. Куршин В.В. Навигационный комплекс вертолета на основе электронных карт: Сб. трудов 7 международной конференции "Системный анализ и управление космическими комплексами", Евпатория, 2002, с.32-33.

8. Куршин В.В. Применение модифицированного алгоритма контроля целостности для повышения точности GPS и ГЛОНАСС навигации, Международная космическая конференция-2001, М., 2001, с.55.

9. Куршин В.В. Навигационный алгоритм с использованием GPS/WAAS оборудования: Сб. трудов международного симпозиума по автоэлектрике и автоэлектронике, Суздаль, 2001, с.64-65.

10.Куршин В.В. Навигация по электронным картам при повышенных точностных режимах: Сб. трудов международного симпозиума по автоэлектрике и автоэлектронике, Суздаль, 2001, с.65-66.

11 .Куршин В.В. Навигация самолета по электронным картам в режиме посадки: Сб. трудов 5 международной конференции "Системный анализ и управление космическими комплексами*1, Евпатория, 2000, с.26-27.

12.Куршин В.В. Об управлении сложной динамической системой одного класса. Тезисы докладов на Всесоюзной научно-технической конференции по проблемам динамики управления и безопасности полетов. Рига, 1985, с.60-61.

13.Куршин В.В. Оптимальное развертывание навигационной спутниковой системы. Сб. трудов II Всесоюзного семинара по управлению движением и навигации ЛА. Куйбышев, 1985, с.82-84.

14 Куршин В.В. Оптимальное управление структурой системы ЛА. Новые методы высокоточного оценивания и управления ЛА: Тем. сб. научных трудов МАИ, 1986, с.35-38.

15. Куршин В.В. Применение модифицированного алгоритма контроля целостности для повышения точности GPS и ГЛОНАСС навигации: Сб. трудов международного симпозиума по автоэлектрике и автоэлектронике, Суздаль, 2001, с.63-64.

16. Куршин В.В. Программный комплекс GPS+ГЛОНАСС Hi

[а1ига в 6

давление КОГ.мичепгими

международной конференции "Системный анализ и управление ког.мичрг.к-ими

ориентирам. Оптимальное управление летательными аппаратами: Тем. сб. научных трудов МАИ, 1984, с.38-42.

18.Малышев В.В., Куршин В.В. Навигационный алгоритм с использованием GPS/WAAS оборудования и высотомера: Сб. трудов 5 международной конференции "Системный анализ и управление космическими комплексами", Евпатория, 2000, с.29-30.

19.Малышев В.В., Куршин В.В. Определение скорости потребителя при помощи навигационных систем GPS и ГЛОНАСС, Международная космическая конференция-2001, М., 2001, с.54-55.

20. Malyshev V. V., Kurshin V. V. Adaptive navigation algorithm, GNSS 2000 conference, Edinburgh, 2000, p.96-97.

21 .Куршин B.B. Визуализация положения объекта на основе применения спутниковой навигации и электронных карт. Оптимальное управление летательными аппаратами: Сб. трудов международной конференции "Бортовые интегрированные комплексы и современные проблемы управления", Ярополец, 1998, с.63-64.

22.Малышев В.В., Кибзун А.И., Куршин В.В. Методика построения спутниковой системы землеобзора с учетом возмущений. Труды VII Чтений, посвященных разработке научного наследия и развитию идей Ф.А. Цандера, ИИЕТ АН СССР, М., 1982, с.43-44.

23. Малышев В.В., Куршин В.В. Методика построения высокоточной навигационной спутниковой системы. Сб. трудов I Всесоюзного семинара по управлению движением и навигация ЛА. Куйбышев, с.52-53.

24. Интернет-страница Куршина В.В. http://www.kurshin.orc.ru.

комплексами", Евпатория, 2001, с.56-57. П. Куршин В.В. Точность определения местоположений по

Оглавление автор диссертации — доктора технических наук Куршин, Владимир Викторович

Глава 1 Методы навигации потребителя с использованием спутниковых систем.

1.1. Системы координат.

1.2. Навигационные измерения.

1.3. Навигационные алгоритмы.

1.3.1. Алгоритм на основе одномоментных измерений.

1.3.2. Алгоритм на основе измерений нарастающего объема.

1.4. Тестирование навигационных алгоритмов.

1.5. Результаты навигационных GPS-определений стационарного и авиационного потребителей.*.

1.6. Выводы к главе 1.

Глава 2 Алгоритмы, повышающие точность GPS навигации.

2.1. Адаптивный навигационный алгоритм в условиях действия селективного доступа.

2.1.1. Построение адаптивного навигационного алгоритма.

2.1.2. Анализ результатов расчетов применения адаптивного навигационного алгоритма.

2.2. Навигационный алгоритм на основе дальномерных и фазовых измерений.

2.2.1. Постановка задачи.

2.2.2. Навигационный алгоритм.

2.2.3. Анализ результатов расчетов.

2.3. Выводы к главе 2.

Глава 3 Совместное использование навигационных систем GPS и ГЛОНАСС.

3.1. Навигация потребителя на основе комплексирования систем GPS и ГЛОНАСС.

3.2. Сравнительный анализ GPS и GPS+ГЛОНАСС навигации.

3.2.1. GPS+ГЛОНАСС навигация в условиях селективного доступа к системе GPS.

3.2.2. GPS+ГЛОНАСС навигация при отсутствии селективного доступа к системе GPS.

3.3. ГЛОНАСС навигация.

3.4. Определение скорости потребителя при помощи спутниковой навигации.

3.5. Программная реализация GPS+ГЛОНАСС навигационного алгоритма.

3.6. Выводы к главе 3.

Глава 4 Широкозонная дифференциальная система WAAS.

4.1. Основные компоненты системы WAAS.

4.2. Сообщения системы WAAS.

4.2.1. WAAS сообщение 0.

4.2.2. WAAS сообщение 1.

4.2.3. WAAS сообщения 2 - 5.

4.2.4. WAAS сообщение 6.

4.2.5. WAAS сообщение 7.

4.2.6. WAAS сообщение 9.

4.2.7. WAAS сообщение 10.

4.2.8. WAAS сообщение 12.

4.2.9. WAAS сообщение 17.

4.2.10. WAAS сообщения 24-25.

4.2.11. WAAS сообщения 18 и 26.

4.2.12. WAAS сообщение 27.

4.2.13. WAAS сообщения 62 и 63.

4.3. Вычисление HPLWAas и VPLwaas Для навигационного режима точной посадки.

4.3.1. Вычисление дисперсии ошибки, компенсируемой быстрой и долговременной коррекциями.

4.3.1.1. Изменение быстрой коррекции.

4.3.1.2. Изменение параметра RRC.

4.3.1.3. Изменение долговременной коррекции.

4.3.1.4. Определение параметра ser.

4.3.2. Вычисление дисперсии ошибки в измерении дальности, вносимой ионосферной рефракцией.

4.3.3. Вычисление дисперсии ошибки в измерении дальности, вносимой шумами приемника и многолучевостью.

4.3.4. Вычисление дисперсии ошибки в измерении дальности, вносимой тропосферной рефракцией.

4.4. Вычисление HPLWAAS и VPLwaas Для обычных режимов полета.

4.5. Выводы к главе 4.

Глава 5 Навигация авиационного потребителя при использовании спутниковой системы GPS/WAAS.

5.1. Тестирование навигационных алгоритмов с использованием GPS/WAAS симулятора.

5.1.1. Сценарий "взлет, полет по маршруту, посадка".

5.1.2. Сценарий "разгон, полет с постоянной высотой, торможение".

5.2. GPS/WAAS навигация в режиме "точной посадки".

5.3. Тестирование GPS/WAAS алгоритмов в полетах.

5.4. Выводы к главе 5.

Глава 6 Навигация потребителя при совместном использовании спутниковых и других дополнительных измерений.

6.1. Определение положения потребителя при совместном использовании системы GPS/WAAS и высотомера.

6.1.1. Алгоритм комплексирования GPS/WAAS и барометрических данных в задаче навигации.

6.1.2. Вычисление дисперсии ошибки высотомера.

6.1.3. Результаты совместного использования системы GPS/WAAS и высотомера в тестовых полетах.

6.2. Определение положения потребителя при совместном использовании системы ГЛОНАСС/GPS и магнитного датчика.

6.2.1. Постановка задачи навигации с использованием спутниковых и угловых измерений.

6.2.2. Навигационный алгоритм, использующий спутниковые и угловые измерения.

6.2.3. Схема имитационного моделирования.

6.2.4. Анализ результатов расчетов.

6.3. Выводы к главе 6.

Глава 7 Алгоритм автономного контроля целостности данных при использовании систем GPS/WAAS/TJIOHACC.

7.1. Пример неверного GPS/WAAS измерения.

7.2. Алгоритм RAIM для обработки дальномерных измерений.

7.3. Модифицированный RAIM алгоритм.

7.4. Алгоритм RAIM для обработки доплеровских измерений.

7.5. Выводы к главе 7.

Глава 8 Навигация авиационного потребителя на основе цифровых карт.

8.1. Применение цифровых карт в навигации.

8.2. NaviMap - визуализация положения движущегося объекта при помощи цифровых карт.

8.2.1. Цифровые карты NaviMap.

8.2.2. Программная реализация NaviMap.

8.2.2.1. NaviMap - Main.

8.2.2.2. NaviMap - External Data.

8.2.2.3. NaviMap - Watch Dog.

8.2.2.4. NaviMap - Terrain Data.

8.2.2.5. NaviMap - Map Preparation.

8.2.2.6. Запуск программы NaviMap.

8.2.3. Окно NaviMap.

8.2.4. Основные режимы NaviMap.

8.2.4.1. NaviMap - режим PAN.

8.2.4.2. NaviMap - режим Cursor.

8.2.4.3. NaviMap - режим Map.

8.2.4.4. NaviMap - режим DF.

8.2.4.5. NaviMap - режим Manual.

8.2.4.6. NaviMap - режим Trace.

8.2.4.7. NaviMap - режим SaR.

8.2.4.8. NaviMap - режим Event.

8.2.4.9. NaviMap - режим FPL.

8.2.5. NaviMap - навигация в режиме посадки.

8.2.5.1. NaviMap - режим Арр, функция Show.

8.2.5.2. NaviMap — режим Арр, функция Мар+.

8.2.6. Дополнительные возможности NaviMap.

8.2.6.1. Применение компаса при навигации.

8.2.6.2. Настройка окна NaviMap.

8.2.6.3. Вертикальное расположение дисплея.

8.2.7. GNS S-транспонд ер.

8.2.8. Тестирование NaviMap.

8.2.9. Настроечные параметры NaviMap.

8.2.10. Демонстрационная версия NaviMap.

8.3. Выводы к главе 8.

Выводы по диссертации.

Введение 2003 год, диссертация по информатике, вычислительной технике и управлению, Куршин, Владимир Викторович

Развитие космической техники в последние годы дало возможность подняться на новую ступень при решении различного рода задач. Очевидно, что использование системы искусственных спутников Земли (ИСЗ), обладающих однотипной аппаратурой, позволяет решать более сложные задачи, нежели одиночные спутники.

При судовождении, управлении полетом самолета или космического аппарата, геодезии, мониторинге разных движущихся объектов, требуется знание положения потребителя в пространстве, его скорости. Использование инерциальных автономных навигационных систем или наземных радионавигационных систем не может обеспечить определение фазового вектора объекта - потребителя с точностью, которую диктует настоящее время. Сложность решаемых задач требует все более точного навигационного обеспечения.

В 80 — 90-е годы были созданы среднеорбитальные навигационные спутниковые системы (НСС), позволившие удовлетворить существовавшие на то время потребности в качестве глобального навигационного обслуживания. В США - это система GPS (Global Positioning System, развернута в 1993 г.), а в России - ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система, развернута в 1995 г.) [5, 6, 15, 19, 66, 67, 74, 117]. По различным оценкам навигационными спутниковыми системами пользуются от 10 до 12 млн. пользователей (от отдельных пользователей до государственных учреждений и международных организаций) во всем мире [23].

В 1998 года Правительства России и США предоставили возможность использовать системы ГЛОНАСС и GPS международным сообществом на безвозмездной основе [23, 74, 108]. Каждой из этих систем присущи свои достоинства и недостатки, но общим для них является обеспечение глобальной, непрерывной, вне зависимости от времени суток, погодных и иных условий навигации и определять координаты потребителя с достаточно высокой точностью. Открытость систем ГЛОНАСС и GPS позволяет объединить их возможности в единую систему GNSS (Global Navigation Satellite System). Применение технологии навигации на основе современных НСС для различного класса потребителей позволяет решать поставленные задачи на качественно новом уровне [9, 60].

Обе системы являются беззапросными, поэтому навигационные приемники, работающие по GPS- или ГЛОНАСС-сигналам, включают в себя высокоточные часы. Навигационные спутники двух систем излучают на двух частотах L1 и L2 сигналы стандартной и высокой точности, соответственно для гражданских и военных потребителей. Системы GPS и ГЛОНАСС отличаются способом разделения сигналов навигационных спутников - в GPS используется кодовый способ (С/А для гражданских и P,Y - для военных потребителей), а в ГЛОНАСС применяется частотный. Для GPS системы значение частот L1 и L2 равно: 1575.42 МГц и 1227.6 МГц, а у системы ГЛОНАСС диапазон частот L1 - 1602.5625-1615.5 МГц и L2 - 1246.4375-1256.5 МГц. Длительность суперкадра, содержащего эфемериды и альманах, у системы ГЛОНАСС составляет 2.5 минуты, а у системы GPS - 12.5 минут.

Также необходимо сказать о еще одном существенном различии. В системе GPS для гражданских потребителей может применяться, так называемый, селективный доступ (Selective Availability - SA), система ГЛОНАСС не предполагает применения подобного доступа. Сущность селективного доступа заключается в искусственном зашумлении сигнала, используемого гражданскими потребителями, что приводит к ухудшению точности навигации. Селективный доступ был введен 25 марта 1990 г. [108]. 1 мая 2000г. правительство США отменило действие селективного доступа, при этом была продемонстрирована возможность применения селективного доступа в некоторых районах Земли [26]. Технически это не представляет собой особого труда запрограммировать включение и отключение SA для каждого навигационного спутника. Можно догадываться, что причина отмены действия SA заключается в стремлении помешать планам Европы, в том числе и России, по разработке и совершенствовании собственных навигационных систем. Символично, что отмена действия селективного доступа совпала со временем проведения конференции GNSS-2000, проходившей в Эдинбурге с 1 по 4 мая 2000 г. [133]. Также очевидно, что селективный доступ может быть снова введен в действие, например, в некотором районе.

В горизонтальной плоскости гражданский пользователь может определить свое положение с применением системы GPS с точностью до 100 м в условиях действия селективного доступа и с точностью до 20 м без него, а с применением ГЛОНАСС - до 60 м [19, 23, 74, 107, 108]. Подобные точностные характеристики удовлетворяют потребностям довольно-таки обширного круга потребителей. Но существует ряд задач, которые требуют более высоких точностей навигации. К этим задачам относятся: взлет, заход на посадку и посадка самолетов, судовождение в прибрежных водах, навигация вертолетов и автомобилей. Так, для захода на посадку самолета по I категории необходимая точность навигации в плоскости - 48 м, а по высоте - 2-8 м [69, 171].

Для обеспечения повышенной точности навигации обычно применяется дифференциальная коррекция [78, 148]. Сущность дифференциальной коррекции заключается в передаче соответствующих дифференциальных поправок. В зависимости от того, где и как формируются поправки, дифференциальная коррекция делится на локальную, региональную и широкозонную [74, 78, 92, 148, 168, 169].

Для локального дифференциального режима поправки формируются одной базовой станцией. Обычно дифференциальные поправки передаются по радиоканалу [148, 155]. Существуют также возможность передачи дифференциальных поправок с использованием Интернета [26, 94]. Главный недостаток локальной коррекции - потребитель может использовать дифференциальные поправки, находясь не далее, чем 100-200 км от базовой станции [148]. Поэтому для повышения точности навигации для обширного региона необходима целая сеть таких базовых станций. Общепринятое название региональной дифференциальной системы -LAAS (Local Area Augmentation System) [143]. В качестве примера можно привести региональную систему береговой охраны США, состоящую из 50 базовых станций [165].

Очевидно, что для обеспечения дифференциального режима для большого региона - например, для стран Европы, США, России -количество базовых станций достигает огромной величины. Поэтому был предложен другой подход [143, 171]. Суть его заключается в том, что передача корректирующих дифференциальных поправок осуществляется при помощи геостационарных спутников. Примерами широкозонных дифференциальных систем являются проходящая тестирование американская система WAAS (Wide Area Augmentation System) и две системы, находящиеся на различных стадиях работ - японская MSAS (Japan's Multifunctional Transport Satellite Space-based Augmentation System) и EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay System) [74, 78, 143, 148, 171]. Полный ввод в эксплуатацию системы WAAS намечен на 2003 г. [162]. Необходимо также отметить и проект Galileo, который предполагает помимо передачи корректирующих поправок и использование собственных средневысотных навигационных спутников [103].

Таким образом, можно констатировать тот факт, что в настоящее время существует объективная потребность в дальнейшем повышении качества навигационного обслуживания. Качество навигационного обслуживания может совершенствоваться по следующим направлениям.

Первое направление - это разработка навигационных GPS-алгоритмов, уменьшающих влияние селективного доступа. Это даст возможность повысить точность в случае применения селективного доступа без привлечения дополнительного оборудования. Существует большое число работ, посвященных исследованию модели селективного доступа [108, 130, 143]. Вопрос же уменьшения влияния селективного доступа на точность навигации практически не исследовался. Возможно, что работы по этому направлению носят закрытый характер в США. В работе [87] решалась задача уменьшения влияния селективного доступа на точность навигации. Но предложенный алгоритм [87] фактически не использует результаты исследования модели селективного доступа, поэтому для его реализации необходимо проводить большой объем вычислений. Это затрудняет применение алгоритма [87] в качестве навигационного программного обеспечения для GPS - приемников.

Второе направление основывается на совместном использовании дальномерных и фазовых измерений. Большинство навигационных приемников, имеющих одну антенну, проводят помимо дальномерных также и фазовые измерения. Но данные фазовых измерений не используются в навигационном алгоритме, поскольку существует неоднозначность фазовых измерений. Поэтому несомненный интерес представляет, использующий для определения положения одиночной антенны как дальномерные, так и фазовые измерения.

Третье направление связано с совместным использованием навигационных систем GPS и ГЛОНАСС. Комплексирование GPS и ГЛОНАСС систем позволяет увеличить число видимых потребителю навигационных спутников, составляющих рабочее созвездие, и тем самым увеличить число проводимых измерений. Это дает возможность повысить качество навигационного обеспечения. Необходимо заметить, что совместное использование GPS и ГЛОНАСС систем существенно улучшает точность навигации в случае, если в системе GPS применяется селективный доступ.

Различного рода навигационные алгоритмы были рассмотрены в работах Бажинова И.К., Бартенева В.А., Болдина В.А., Дишеля В.Д., Дмитриева П.П., Иванова Н.Е., Красилыцикова М.Н., Малышева В.В., Перова А.И., Почукаева В.Н., Романова Л.М., Салищева В.А., Тюбалина В.В., Харисова В.Н., Чернявского Г.М., Шебшаевича B.C., Ярлыкова М.С. и ряда других авторов. В этих работах были исследованы вопросы навигации с использованием систем GPS или ГЛОНАСС. В настоящее время также существует ряд приемников, использующих для навигации системы GPS и ГЛОНАСС. В первую очередь необходимо отметить фирмы Ashtech (Thaies Navigation), 3S Navigation и Javad (в настоящее время вошла в состав Торсоп). Российские фирмы также выпускают подобные комбинированные приемники - это РНИИ космического приборостроения, РИ радионавигации и времени, КБ «Компас», КБ «Навис», НПК «Научный Центр» [74]. В основном эти приемники предназначены для геодезии, морской или автомобильной навигации. Иными словами, ориентированы на потребителя, движущегося с небольшой скоростью. В данной диссертационной работе основное внимание уделяется навигации авиационного потребителя, в том числе в режиме посадки, что не достаточно исследовано в настоящее время. К тому же привлечение ГЛОНАСС спутников к GPS навигации увеличивает надежность навигационного обеспечения, что является очень важным для авиационного потребителя. Поэтому задача комплексирования GPS и ГЛОНАСС измерений для авиационного потребителя является актуальной. Интерес этот объясняется возможностью дальнейшего совершенствования алгоритмического обеспечения в направлении повышения точности навигации, в том числе в рамках создания программного обеспечения для проекта GNSS.

Следующее направление в области повышения качества навигационного обслуживания относится к дифференциальной коррекции. И если для локальной дифференциальной коррекции, применяемой уже около десяти лет, существует и различные навигационные станции, и оборудование для передачи дифференциальных поправок, и соответствующее программное обеспечение, то для широкозонных дифференциальных систем в силу новизны является актуальным разработка алгоритмов и программ, обеспечивающих навигацию с использованием GPS/WAAS оборудования и ориентированных, в первую очередь, на авиационного потребителя.

Основными потребителями широкозонных дифференциальных систем являются различные системы мониторинга за наземными системами, как-то: железнодорожные поезда, автобусы, специальные машины [78]. Но в первую очередь система WAAS нужна авиационным потребителям. Собственно, именно авиационные потребители и определяют требования по точности и надежности навигации системы WAAS. Поэтому в настоящей работе основное внимание уделяется разработке алгоритмов и программ для навигационного GPS/WAAS оборудования, применяемого в авиации.

Заметим, что уже выпускаются навигационные GPS/WAAS приемники, в частности, фирмой Javad [119]. Но приемниками Javad не вычисляется оценка точности GPS/WAAS навигации, что очень важно для авиационного потребителя. В WAAS-лаборатории Стэнфордского университета также разрабатывается математическое и программное обеспечение для широкозонных дифференциальных систем [97]. Данные продукты предназначены в основном для обычного, но не авиационного, потребителя.

Необходимо отметить следующее направление в области повышения качества навигации, также предполагающее использование дополнительное оборудование. В состав штатного бортового авиационного оборудования входит высотомер. Радиотехнический Комитет по Аэронавтике (Radio Technical Commission for Aeronautics - RTCA) рекомендует его использовать совместно с навигационными спутниковыми измерениями [143]. Разумеется, применение барометрических данных оправдано только в том случае, если эти дополнительные данные могут улучшить точность определения положения самолета. В данной работе также рассматривается вопрос комплексирования GPS/WAAS измерений и данных высотомера, проводится оценка точности навигации. Была предложена и апробирована в тестовых полетах методика совместного использования GPS/WAAS и барометрических измерений.

Для решения задачи спутниковой навигации при недостаточном числе измерений обычно применяются алгоритмы, использующие измерения нарастающего объема, например, фильтр Калмана. Фильтрационные методы предполагают задание модели движения объекта, причем точность вычисления оценки координат потребителя зависит от адекватности применяемой модели движения. Очевидно, что маневрирование потребителя приводит к ухудшению точности оценивания. Для повышения точности навигации обычно используют дополнительные источники информации о координатах потребителя, например, инерциальную навигационную систему [14, 134]. Но стоимость инерциальной навигационной системы высока. В последнее время рядом фирм были разработаны недорогие магнитные датчики, позволяющие определить потребителю свое угловое положение с достаточно высокой точностью [62, 64]. Поэтому несомненный интерес представляет возможность определения положения и скорости маневрирующего потребителя на основе ГЛОНАСС/GPS навигации совместно с угловыми измерениями магнитного датчика при числе видимых спутников меньше 4.

Для авиационного потребителя очень важен вопрос достоверности данных о координатах потребителя, полученных при помощи спутниковых навигационных измерений. Согласно требованиям к авиационному навигационному оборудованию в состав программного обеспечения навигационного приемника должен входить автономный контроль целостности в приемнике (Receiver Autonomous Integrity Monitoring -RAIM) [143, 158]. Основной задачей алгоритма RAIM является обнаружение и исключение из состава измерений потребителя неверное измерение. Неверным измерение может быть по следующим двум причинам. Первая причина - это неисправность самого навигационного спутника. Навигационная спутниковая система осуществляет непрерывный контроль исправности всех компонентов системы, в том числе и передаваемых навигационных данных. Время, необходимое для индикации неисправного спутника системы ГЛОНАСС, составляет около 1 минуты [74]. И в течение этого времени потребитель будет использовать этот плохой спутник, не зная об его неисправности. Вторая причина неверного измерения - это плохие условия приема навигационного сигнала со спутника, обусловленные в первую очередь малым углом видимости спутника над горизонтом и многолучевостью, а также шумы в канале приемника. Алгоритм RAIM должен это неверное измерение найти и исключить из состава измерений. Возможность такого подхода основана избыточности проводимых измерений: при использовании системы GPS потребителю видны не менее 6-8 спутников, а минимальное число спутников равно 4 [118]. В данной работе RAIM применяется в навигационных алгоритмах, использующие GPS и барометрические измерения, GPS/ГЛОНАСС измерения, а также GPS/WAAS измерения.

Определение координат потребителя - это основа для решения задачи управления объектом. При управлении самолетом огромную роль играет человеческий фактор, поскольку именно пилот принимает все решения, а бортовая аппаратура только помогает пилоту. И вопрос о способе предоставления информации имеет большое значение. Спутниковые навигационные приемники определяют положение, как правило, в географической системе координат - широта, долгота, высота. Ориентирование же на местности проходит при помощи бумажных, полетных карт. Разумеется, при известном положении объекта ориентирование по карте представляет собой не очень сложную задачу. Но при все возрастающих скоростях полета, огромном количестве выводимой диагностической и другой информации пилоту довольно-таки затруднительно проводить дополнительные расчеты по карте. Поэтому чтобы повысить безопасность полета необходимо обеспечивать автоматическую навигацию самолета по карте. В англоязычной литературе подобная задача носит название "moving map" [21, 111].

Для программной реализации задачи навигации по карте используются различные электронные карты, в том числе и копии бумажных карт. Аппаратная реализация этой задачи обеспечивается при помощи специализированного бортового компьютера, на экран дисплея которого выводится карта, текущие координаты, скорость, время полета до пункта назначения и другая дополнительная информация.

Очевидно, что до полета, после, а главное, в процессе полета пилот должен иметь возможность управлять работой бортового компьютера. Например, пилот может ознакомиться с картой, ввести полетный маршрут, увеличить или уменьшить масштаб выводимой на экран карты и т.д. И способ интерактивного взаимодействия пилот - компьютер напрямую связан с безопасностью полета. Необходимо, чтобы управление бортовым компьютером было бы максимально комфортным для пилота. И наиболее естественным и удобным способом для управления бортовым компьютером является нажатие пальцем пилота на дисплей.

Ряд фирм (программы "FlightMap", "Preston Peavy") предлагают использовать указательное устройство touch-pen для управления компьютером [111]. Такой подход упрощает создание программного обеспечения для компьютера, поскольку позволяет применять Windows-ориентированный интерфейс и соответствующее программное обеспечение. Несколько иное решение предлагается для программы "Navplan" - данная программа ориентирована для использования на компьютерах типа Palmtop [111]. Но указанные подходы не совсем удобны - поскольку вибрация, качка и.т.д. не позволяют точно попасть в нужное место на дисплее. К тому же пилот должен для управления бортовым компьютером держать в руке устройство touch-pen. Очевидно, что данное требование уменьшает безопасность полета.

Поэтому рядом фирм было предложено использовать специализированные навигационные компьютеры. Так, фирма SAS разработала бортовой компьютер М-5000, предназначенный для самолетов [161]. Особенностью данного компьютера является использование в качестве источника информации GNSS-транспондера, который позволяет определять координаты не только самого объекта, но и других объектов, снабженных такими же устройствами. Это дает возможность пилоту видеть на экране компьютера М-5000 положение других самолетов. Фирма Trimble Navigation предлагает систему НТ9100, использующая в качестве источника данных 12-канальный GPS приемник, а также более простой прибор Trimble GPS Map [164]. Фирмой GARMIN также предлагается аналогичные системы - GNS 430, GNS 530 и GPSMAP 195, GPSMAP 295 [106]. Необходимо заметить, что карта, выводимая на экране Trimble GPS Map очень схематична (только некоторые пункты и нет местности). То же самое можно сказать о серии Garmin GPSMAP. Фирма FURUNO разработала специализированный бортовой компьютер "Digital Mapping System", предназначенный для вертолетов [63] и используемая исключительно в Японии. Фирма Transas выпустила систему "Advanced Moving Map System", в России эта система имеет название "АБРИС" [65]. Данная разработка предполагает использование карт Jeppesen, Transas Charts. Российская система "Планшет" использует карты фирмы С-МАР. Все эти бортовые компьютеры для управления используют специальные кнопки, расположенные рядом с дисплеем. При помощи этих кнопок осуществляется перемещение курсора для установки путевых точек, выбор режима функционирования и т.д. Очевидно, что в этом случае процесс управления программой "moving map" будет занимать определенное время. Достаточно упомянуть, например, установку путевой точки или "пролистывание" рабочих режимов.

Поэтому предлагается использовать в бортовом компьютере дисплей, реагирующий на нажатие - touch-screen. Это дает возможность как бы совместить и дисплей и кнопки управления в одном устройстве. Такое решение, на наш взгляд, существенно улучшает эргонометрические свойства бортового компьютера.

Отметим и еще одно преимущество использования дисплея touchscreen. Если пилоту необходимо ввести какую-нибудь информацию, то для этого используется дополнительная клавиатура. В случае применения touch-screen на дисплее отображается виртуальная клавиатура и при ее помощи может осуществляться ввод информации.

Таким образом, бортовой компьютер, использующий дисплей touchscreen, обладает несомненным преимуществом по сравнению с компьютером, оборудованным обычным дисплеем.

Понятно, что применение дисплея touch-screen требует создания программного обеспечения, реализующего соответствующий интерфейс с виртуальными кнопками и окнами, реагирующими на нажатие. Но это нельзя отнести к недостатку интерфейса touch-screen, скорее это его особенность.

Необходимо также отметить следующий аспект, который требуется учесть при разработке программного обеспечения для бортового компьютера. Это программа функционирует в реальном времени и должна своевременно обрабатывать различные события, как-то: поступление новых данных о положении объекта, ввод пилотом новой команды, проверка работоспособности внешних устройств и т.д. И необходимо, чтобы не было потерь данных и временных задержек при вводе команд, чтении или записи на постоянные носители. Предложенная в работе концепция построения программного обеспечения для бортового компьютера успешно справляется с этими требованиями. Эта концепция основывается на использовании многозадачной операционной системы. Сама же программа состоит из нескольких потоков, выполняемых одновременно и имеющих различные приоритеты.

В ряде случаев цифровые навигационные карты используются не только пилотом, но и другими членами экипажа. И наиболее эффективным решением такой задачи является применение специализированного бортового навигационного комплекса. Данный комплекс состоит из навигационного сервера и нескольких бортовых компьютеров, объединенных в единую сеть. В задачу навигационного сервера входит обеспечение бортовых компьютеров всеми навигационными данными, включающими как информацию о положении и скорости объекта с использованием GPS/TJ10HACC систем, так и картографические данные. Передача данных по бортовой компьютерной сети осуществляется по протоколу TCP/IP.

При отображении на дисплее карты местности могут использоваться как растровые, так и векторные карты. Могут применяться также комбинированные карты. Растровая карта получается при помощи оптического сканирования обычной бумажной карты. Векторная же карта создается, как правило, на основе растровой при помощи дополнительного программного обеспечения. Но главное - это необходимость участия человека в процессе векторизации. Поэтому трудоемкость создания векторных карт несравненно выше растровых. К тому же растровые карты, являющиеся копиями обычных карт, уже хорошо знакомы пилотам. Подробно различия этих карт, их преимущества и недостатки будут обсуждаться в 8 главе. Здесь только скажем, что были выбраны комбинированные или смешанные карты, использующие как основу растровые карты, а некоторые элементы - полетный маршрут, поисковая информация - векторные.

В настоящей диссертации разработана программа NaviMap (Navigation and Map), реализующая рассмотренные выше требования к специализированному бортовому навигационному компьютеру.

Необходимо отметить, что фирма Fugawi также использует растровые карты. Но программное обеспечение "Fugawi Navigation Software" предназначено для офисных компьютеров и использует Windows-интерфейс, что затрудняет применение на борту движущегося самолета или вертолета [100].

Программа JEPPView фирмы JEPPESEN обеспечивает пилота или штурмана различной информацией, но она предназначена для офисных компьютеров и использование на бортовом компьютере практически не возможно [120]. Правда JEPPESEN планировала создать версию для бортового компьютера. В основном же JEPPView предназначена для предполетной подготовки пилота или штурмана и фактически является компьютерной базой данных о терминальных, взлетно-посадочных картах.

Программа PCVtrack фирмы Trimble использует растровые карты, но данное программное обеспечение опять-таки не предназначено для бортовых компьютеров (а для следящих систем) [164].

Программа NaviMap может использовать для навигации GNSS-транспондер, что дает возможность видеть на экране бортового компьютера все рядом находящиеся объекты. Подобным свойством из всех выше перечисленных программ и приборов обладает только бортовой компьютер М-5000 фирмы SAS.

Разработанная программа NaviMap также как и JEPPView дает возможность просмотреть расположение находящихся рядом аэродромов и ознакомиться с характеристиками взлетно-посадочных полос. Но программа NaviMap, в отличие от программы JEPPView, обладает режимом Approach, что дает возможность осуществить навигацию по карте в реальном времени при посадке самолета. Эта возможность программы NaviMap существенно повышает безопасность пилотирования.

Также для повышения безопасности пилотирования программа NaviMap позволяет использовать дополнительную информацию о высоте над поверхностью Земли. Необходимость использования такой информации объясняется тем, что при помощи спутниковой навигации определяется высота объекта не над поверхностью Земли, а над некоторой моделью Земли. В GPS навигации используется модель Земли WGS-84, в ГЛОНАСС навигации - эллипсоид Красовского. Поэтому для вычисления истинной высоты необходимо знать расстояние между соответствующей точкой, принадлежащей применяемой модели Земли, и реальной высотой над поверхностью Земли. Применение базы данных о реальной высоте поверхности Земли позволяет улучшить качество информационного обеспечения программы NaviMap. Из рассмотренных выше программ только FlightMap обладает возможностью определения текущей высоты. Но данный режим в программе FlightMap доступен только в режиме посадки, что является недостаточным для обеспечения безопасности полета, например, над гористой местностью. Выгодное отличие программы Ыау^Мар заключается в осуществлении непрерывной индикации высоты полета над поверхностью Земли.

Рис.1. Спутниковая навигация авиационного потребителя на основе цифровых карт.

Объединение навигационного приемника, определяющего положение и скорость потребителя при помощи спутниковых систем ГЛОНАСС/СР8/\\'АА8, и бортового компьютера, осуществляющего вывод на дисплей необходимого фрагмента карты и соответствующего положения потребителя на карте, позволяет решить единую задачу -навигация потребителя с использованием ГЛОНАСС/вРЗ^ААЗ измерений и цифровых карт. Структура авиационного бортового комплекса, обеспечивающего спутниковую навигацию на основе цифровых карт, приведена на рис.1.

Целью работы является решение проблемы разработки математического и программного обеспечения навигации авиационного потребителя с использованием спутниковых систем ГЛОНАСС/ОРЯМААЗ и цифровых карт. В качестве дополнительных измерений могут использоваться данные высотомера или магнитного датчика. Данное программное обеспечение предназначено для бортового навигационного компьютера, установленного на самолете или вертолете и осуществляющего высокоточную навигацию по цифровой карте с использованием спутниковых систем ГЛОНАССЛЗР5^АА8.

Применение 'УМАЗ-данных позволяет определить положение и скорость авиационного потребителя с точностью, необходимой для совершения посадки в режиме "точная посадка". Также важным для авиационного потребителя является высокая достоверность данных (1 -10~7 /ч полета), обеспечиваемая системой WAAS. В свою очередь, соответствующие цифровые карты и программное обеспечение бортового комплекса также должно обеспечивать навигацию при посадке самолета. Данные возможности программного обеспечения бортового комплекса значительно превосходят требования к авиационному навигационному оборудованию типа "Gamma" [143]. Необходимо заметить, что данный тип оборудования является самым высоким по функциональным возможностям из всех типов авиационного навигационного оборудования с использованием спутниковых систем, рекомендованных RTCA и 1С АО.

При создании навигационных алгоритмов используются статистические методы обработки данных, методы оптимальной фильтрации, адаптивные методы обработки информации. При программной реализации математического обеспечения навигационного комплекса, работающего в реальном времени, используются методы объектно-ориентированного программирования и мультизадачность операционных систем Windows, VxWorks, Linux.

Новыми научными результатами в диссертации являются:

1. Математическое и программное обеспечение для бортового навигационного компьютера, включающего высокоточные rJIOHACC/GPS/WAAS алгоритмы и осуществляющего навигацию потребителя (самолета, вертолета) по цифровой карте в реальном времени, в том числе и на этапе посадки. Бортовой компьютер оборудован дисплеем, реагирующим на нажатие.

4. Адаптивный навигационный алгоритм на основе проведения дальномерных GPS измерений с использованием фильтра Калмана в условиях действия селективного доступа.

5. Навигационный алгоритм, использующий дальномерные и фазовые измерения для приемника с одной антенной.

6. Алгоритм определение скорости потребителя на основе проведения дальномерных Г JIOHACC/GP S/W A AS измерений.

7. Алгоритм автономного контроля целостности навигационных измерений при использовании систем rJIOHACC/GPS/WAAS.

Достоверность разработанных алгоритмов и реализованных в виде программного обеспечения подтверждается тестированием в реальных условиях на навигационной аппаратуре с использованием ГЛОНАСС/GPS/WAAS спутниковых измерений, в том числе с применением дополнительных барометрических данных. Тестирование навигационных алгоритмов проводилось как для стационарных потребителей, так и при проведении тестовых полетов. Корректность работы бортового компьютера, осуществляющего спутниковую навигацию по цифровой карте, помимо тестирования с использованием симуляторов проверялась также в контрольных полетах.

Практическая значимость полученных в работе результатов состоит в:

• разработке программного комплекса для бортового компьютера, обеспечивающего в реальном масштабе времени ГЛОНАСС/GPS/WAAS-навигацию самолета или вертолета по цифровой карте, в том числе при совершении посадки;

• разработке методики и алгоритма комплексирования GPS/WAAS и барометрических измерений;

• разработке навигационного алгоритма совместного использования ГЛОНАСС/GPS дальномерных и фазовых измерений, полученных при помощи одной антенны;

• разработке навигационного алгоритма совместного использования ГЛОНАСС/GPS и угловых измерений;

• разработке алгоритма автономного контроля целостности ГЛОНАСС/GPS/WAAS измерений и осуществляющего оптимизацию состава измерений.

Результаты, полученные в работе, внедрены и используются при проведении научно-исследовательских работ в ряде ведущих аэрокосмических предприятий России и в высших учебных заведениях: НПО ПМ, РНИИ КП, ЦУП-М, МАИ.

Основные результаты диссертации были представлены и обсуждены на следующих конгрессах, конференциях, чтениях и семинарах: на II Всесоюзном семинаре по методам синтеза и планирования развития структур сложных систем, проводившемся в Ташкенте в 1981 г.; на VII чтениях, посвященных разработке научного наследия и развитию идей Ф.А.Цандера, проводившейся в Москве в 1982 г.; на I и II Всесоюзных конференциях по проблемам управления, проводившихся в Куйбышеве в 1983 и 1985 гг.; на Всесоюзной научно-технической конференции по проблемам динамики управления и безопасности полетов, проводившейся в Риге в 1985 г.; на Гагаринских научных чтениях по космонавтике и авиации, проводившихся в Москве в 1986 г. и 2001 г.; на международной конференции "Бортовые интегрированные комплексы и современные проблемы управления", проводившейся в Яропольце в 1998 г.; на 5, 6 и 7 международных конференциях "Системный анализ и управление космическими комплексами", проводившихся в Евпатории в 2000 г., 2001 г., и 2002 г.; на международной конференции GNSS-2000, проводившейся в Эдинбурге (Великобритания) в 2000 г.; на международном симпозиуме по автоэлектрике и автоэлектронике, проводившемся в Суздале в 2001 г.

Программа NaviMap была представлена на авиационных выставках Фарнборо-96, Берлин-96, Мадрид-97, IAL-98 и др.

Все результаты, приведенные в диссертации, получены лично автором, основные из них опубликованы в 29 работах, в том числе в 24 печатных работах.

На защиту выносятся:

• программное обеспечение и архитектура построения программного комплекса бортового навигационного компьютера, включающего rJIOHACC/GPS/WAAS алгоритмы и осуществляющего навигацию самолета или вертолета по цифровым маршрутным и терминальным картам в реальном масштабе времени;

• навигационный алгоритм, использующий ГЛОНАСС/GPS и угловые измерения;

• алгоритм автономного контроля целостности навигационных ГЛОНАСС/GPS/WAAS измерений, осуществляющего оптимизацию состава измерений.

Диссертация состоит из введения, восьми глав, выводов, списка литературы из 173 наименований и трех приложений. Общий объем работы составляет 339 страниц, в том числе 108 рисунков и 21 таблицы.

Заключение диссертация на тему "Математическое и программное обеспечение навигации с использованием систем ГЛОНАСС/GPS/WAAS"

Выводы по диссертации

На основе результатов, полученных в диссертации, можно сделать следующие выводы:

1. Разработано и апробировано математическое и программное обеспечение решения задачи определения положения и скорости авиационного потребителя на основе спутниковых навигационных систем GPS/WAAS/rHOHACC. Данное математическое и программное обеспечение основывается на навигационных алгоритмах, использующих как одномоментные измерения, так и измерения нарастающего объема. При GPS+ГЛОНАСС навигации программный навигационный комплекс использует реальные необработанные данные, транслируемые приемниками Ashtech либо Javad.

2. Разработана архитектура построения программного обеспечения бортового навигационного компьютера, реализующего визуализация текущего положения потребителя на цифровой карте. Для повышения безопасности пилотирования и эргонометрических характеристик в бортовом навигационном компьютере предлагается использовать реагирующий на нажатие дисплей.

3. Создана программа NaviMap, осуществляющая навигацию по цифровой карте. Программа, функционирующая в режиме реального времени, состоит из нескольких потоков, выполняемых одновременно и имеющих различные приоритеты. Это обеспечивает высокое быстродействие и надежность программного обеспечения.

4. Для тестирования навигационных алгоритмов был разработан программно-аппаратный комплекс, позволяющий проводить многократную отладку. Данный комплекс при работе с реальными измерительными данными, полученными, например, в тестовом полете, помимо определения координат потребителя сохраняет эти данные в запоминающем устройстве. Это дает возможность устранить программные ошибки и найти оптимальные параметры алгоритма при минимальном числе тестовых полетов.

5. Разработан адаптивный навигационный алгоритм, позволяющий в условиях селективного доступа улучшить точность GPS-навигации потребителя на несколько десятков метров по сравнению с обычным фильтром Калмана. Объем необходимых вычислений для реализации адаптивного алгоритма превосходит обычный фильтр Калмана приблизительно в 3-5 раз, что незначительно увеличивает весь объем

204 навигационных вычислений. При отсутствии селективного доступа данный адаптивный алгоритм может использоваться для оценок параметров тропосферных и ионосферных погрешностей с целью применения в навигации более точных моделей распространения радиосигнала.

6. Проведен анализ совместного использования GPS и ГЛОНАСС систем. Было получено, что в условиях применения селективного доступа к системе GPS, навигация с использованием двух систем GPS+ГЛОНАСС повышает точность GPS навигации и уменьшается влияние селективного доступа. Если же селективный доступ к системе GPS отсутствует, то в условиях хорошей радиовидимости навигационных спутников применение дополнительных ГЛОНАСС измерений точность GPS навигации практически не улучшают. В условиях же плохой радиовидимости, например, в городе, для улучшения точности GPS-навигации можно рекомендовать GPS+ГЛОНАСС навигацию. Привлечение ГЛОНАСС спутников к GPS навигации также увеличивает надежность навигационного обеспечения.

7. С целью создания навигационного GPS/WAAS программного обеспечения проведен анализ сообщений, передаваемые системой WAAS. Проведен анализ WAAS сообщений, при которых возможна навигация в том или ином режиме. Представлен алгоритм оценки точности определения положения потребителя, использующего GPS/WAAS оборудование при различных режимах полета. Также приведены схемы вычисления корректирующих добавок к навигационным измерениям и ионосферные поправки на основе сообщений WAAS. Разработана структура и программное обеспечение GPS/WAAS навигации.

8. Исследовалась GPS/WAAS навигация авиационного потребителя, обладающего динамикой, сравнимой с динамикой военного истребителя. Получено, что при использовании в алгоритме МНК на точность определения положения влияет только один геометрический фактор рабочего созвездия. На точность определения скорости существенно влияет ускорение самого объекта, влияние же его скорости не существенно. При использовании в навигационном алгоритме фильтра Калмана ускорение оказывает негативное влияние и на точность определения положения. Для уменьшения этого влияния предложен метод учета ускорения, заключающийся в вычислении проекций ускорения на основе полученных оценок скорости для каждого шага измерений и в последующей коррекции фазового вектора. Результаты тестирования показали, что предложенный метод значительно повышает точность навигации авиационного потребителя (до 5 раз), когда самолет движется с ускорением.

9. Проведено тестирование навигационных алгоритмов в полетных условиях, когда возможна GP S/W AAS навигация в режиме "грубая посадка". Получено, что основное влияние на точность авиационного потребителя оказывает уменьшение радиовидимости спутников, которое может возникнуть при маневрировании самолета. Осуществлено тестирование GPS/WAAS алгоритмов для неподвижного потребителя в условиях, когда доступен весь объем WAAS сообщений. Результаты тестирования показывают, что в 98-99% реальная горизонтальная и вертикальная точность навигации не превышает 5 м. Расчетная же точность (параметры HPLwaas и VPLwaas) превышает реальную приблизительно в три раза.

Ю.Разработан алгоритм комплексирования GPS/WAAS и барометрических данных для определения положения самолета. Для повышения точности данных высотомера предложена методика проведения программной коррекции барометрических данных. Данная методика использовалась в задаче определения положения самолета, совершавшего тестовые полеты. Было получено, что применение программно корректируемых барометрических данных в условиях GPS навигации по спутниковому созвездию с плохим геометрическим фактором повышает точность определения положения самолета на 100-200 м. Например, точность определения положения самолета в пространстве только на основе GPS-данных составляет 200-250 м, а применение данных высотомера улучшает точность определения положения до 10-50 м.

11.Разработан навигационный алгоритм, использующий спутниковые и дополнительные угловые измерения от магнитного датчика. Проведено тестирование данного алгоритма с использованием имитационного моделирования. Было получено, что применение дополнительных угловых измерений совместно с ГЛОНАСС/GPS навигацией позволяет решить задачу определения координат маневрирующего потребителя в условиях недостаточного числа спутниковых измерений.

12.Представлен алгоритм автономного контроля целостности данных для обработки дальномерных измерений в задачах GPS/WAAS/ГЛОНАСС навигации. Для повышения точности GPS+ГЛОНАСС навигации был предложен модифицированный RAIM алгоритм. Данный алгоритм помимо автономного контроля целостности данных включает в себя эвристический алгоритм оптимизации состава измерений. При тестировании было получено, что применение модифицированного RAIM алгоритма в ряде случаев повышает точность определения положения в пространстве на 20-25 м: вместо 30-35 м GPS+ГЛОНАСС навигация осуществляется с точностью 5-15 м.

13.Разработана демонстрационная версия программы NaviMap, осуществляющей навигацию по цифровой карте. Данная демонстрационная версия записана на компакт-диске и позволяет ознакомиться с работой программы NaviMap в различных режимах. Применение программы Simulate, имитирующей движущийся навигационный приемник и представленной на том же диске, дает возможность работать с программой в реальном режиме времени.

Библиография Куршин, Владимир Викторович, диссертация по теме Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

1. Аверин C.B., Виноградов A.A., Иванов Н.Е., Салищев В. А. Комбинированное использование систем ГЛОНАСС и GPS на основе адаптивного навигационного алгоритма // Радиотехника, 1998, №9.

2. Акимов A.A., Кузьмин Г.В. Исследование перспективы применения навигационных спутниковых терминалов для проведения высокоточных измерений на пересеченной местности и в городских условиях // Радиотехника, 1996, №11.

3. Алексеев Б.Н. О точности определения координат пунктов по наблюдениям навигационных ИСЗ типа ГЛОНАСС // Геодезия и картография, 1993, № 12.

4. Андрианов В.А., Горобец В.П., Кораблев Е.В., Смирнов В.М. Методы коррекции атмосферной рефракции в космической геодезии и навигации // Геодезия и картография, 1993, № 12.

5. Базлов Ю.А., Галазин В.Ф., Каплан Б.Л., Максимов В.Г., Чугунов И.П. Анализ результатов совместного уравнивания астрономо-геодезической, доплеровской и космической геодезических сетей // Геодезия и картография, 1996, № 7.

6. Баранов Е.Г., Бойко Е.Г., Краснорылов И.И., и др. Космическая геодезия. Учебник для вузов. М.: Недра, 1986.

7. Бодер Ф. Г., Хартмен К, Латсен КГ. Бортовые навигационные приемники GPS. Современное состояние и перспективы, HACA.

8. Бойков В.В., Галазин В.Ф., Кораблев Е.Б. Применение геодезических спутников для решения фундаментальных и прикладных задач // Геодезия и картография 1993, №11.

9. Большее Л.Н., Смирнов Н.В. Таблицы математической статистики, 3 издание. М.: Наука, 1983.

10. Быханов Е. Лебедев М., Шиенок Н. Комбинированное использование ГЛОНАСС/GPS / Проблемы, возможности и перспективы, 1997, Интернет, http://www.rssi.ru/SFCSIC.

11. Ван Дайк К. Использование спутниковых радионавигационных систем для обеспечения требуемого уровня характеристик глобальной навигационной спутниковой системе // Радиотехника, 1996, №1.

12. Веремеенко К.К., Тихонов В.А. Навигационно-посадочный комплекс на основе спутниковой радионавигационной системы // Радиотехника, 1996, №1.

13. Владимиров А. В полете "тройка "Ураганов" // Новости космонавтики, 1999, №2,3.

14. Волков Н.М., Иванов Н.Е., Салищев В.А., Тюбалин В.В. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники, 1997, № 1.

15. Галазин В.Ф., Базлов Ю.А., Каплан Б.Л., Максимов В.Г. Совместное использование GPS и ГЛОНАСС: Оценка точности различных способов установления связи между ПЗ-90 и WGS-84 // Радиотехника, 1998, №9.

16. Генике A.A., Побединский Г.Г. Глобальная спутниковая система определения местоположения GPS и ее применение в геодезии. М.: Картгеоцентр, Геодезиздат, 1999.

17. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ, М.:КНИЦ, 1995.

18. Дубинко Ю.С., Дубинко Т.Ю. Применение робастного оценивания для обеспечения целостности в приемнике спутниковой навигации // Радиотехника, 1998, № 7.

19. Интернет-конференция Newsgroup: sci.geo.satellite-nav.

20. Интернет-страничка Куршина В.В. http://www.kurshin.orc.ru.

21. Итин С.П., Евтушенко Д.А. ИНС-Контроль универсальная диспетчерская система контроля местоположения транспортных средств на базе спутниковаых ГЛОНАСС/ОРБ-навигационных технологий и современных технологий связи, Интернет.

22. Коваленко КН. QNX: Золушка в семье UNIX // Открытые системы, 1995, №2.

23. Компьютерный бюллетень КНИЦ МО РФ, http://www.rssi.ru/SFCSIC/russia-w.html.

24. Конференция новостей sci.geo.satellite-nav.

25. Куршин В.В. Навигационный алгоритм с использованием GPS/WAAS оборудования: Сб. трудов международного симпозиума по автоэлектрике и автоэлектронике, Суздаль, 2001.

26. Куршин В.В. Навигационный комплекс вертолета на основе электронных карт: Сб. трудов 7 международной конференции

27. Системный анализ и управление космическими комплексами", Евпатория, 2002.

28. Куршин В.В. Навигация по электронным картам при повышенных точностных режимах: Сб. трудов международного симпозиума по автоэлектрике и автоэлектронике, Суздаль, 2001.

29. Куршин В. В. Навигация самолета по электронным картам в режиме посадки: Сб. трудов 5 международной конференции "Системный анализ и управление космическими комплексами", Евпатория, 2000.

30. Куршин В.В. Об управлении космической системой одного класса. Гагаринские научные чтения по космонавтике и авиации. М.: Наука, 1986.

31. Куршин В.В. Об управлении сложной динамической системой одного класса. Тезисы докладов на Всесоюзной научно-технической конференции по проблемам динамики управления и безопасности полетов. Рига, 1985.

32. Куршин В.В. Оптимальное развертывание навигационной спутниковой системы. Тезисы докладов на II Всесоюзной конференции по проблемам управления, КуАИ, 1985.

33. Куршин В.В. Оптимальное управление структурой системы ДА. Новые методы высокоточного оценивания и управления ЛА: Тем. сб. научных трудов МАИ, 1986.

34. Куршин В.В. Применение модифицированного алгоритма контроля целостности для повышения точности GPS и ГЛОНАСС навигации, Международная космическая конференция-2001, М., 2001.

35. Куршин В.В. Применение модифицированного алгоритма контроля целостности для повышения точности GPS и ГЛОНАСС навигации: Сб. трудов международного симпозиума по автоэлектрике и автоэлектронике, Суздаль, 2001.

36. Куршин В.В. Программный комплекс GPS+ГЛОНАСС навигации: Сб. трудов 6 международной конференции "Системный анализ и управление космическими комплексами", Евпатория, 2001.

37. Куршин В.В. Тестирование GPS/WAAS/ГЛОНАСС алгоритмов. Электронный журнал "Труды МАИ", 2003, № 12. http://www.mai.ru.

38. Куршин В.В. Точность определения местоположения по движущимся ориентирам. Оптимальное управление летательными аппаратами: Тем. сб. научных трудов МАИ, 1984.

39. Легостаев В.П., Семенов Ю.П., Черток Б.Е. и др. Широкозонная система контроля и информационно-навигационного дополнения глобальных навигационных спутниковых систем на базе высокоэллиптических спутников // Космонавтика и ракетостроение, 2002, №4.

40. Любарский Г.Я. Теория групп и ее применение в физике. Гостехиздат, 1958.

41. Малышев В.В., Кибзун А.И., Куршин В.В. К задаче синтеза структуры сложной технической системы. Тезисы докладов на II Всесоюзном семинаре по методам синтеза и планирования развития структур сложных систем. Ташкент, 1981.

42. Малышев В.В., Кибзун А.И., Куршин В.В. Методика построения спутниковой системы землеобзора с учетом возмущений. Труды VII Чтений, посвященных разработке научного наследия и развитию идей Ф.А.Цандера, ИИЕТ АН СССР, М., 1982.

43. Малышев В.В., Красильщиков М.Н., Бобронников В.Т., Нестеренко О.П., Федоров A.B. Спутниковые системы мониторинга. М.: Изд-во МАИ, 2000.

44. Малышев В.В., Куршин В.В. Адаптивный навигационный алгоритм в условиях селективного доступа к системе GPS // Известия Академии наук. Теория и системы управления. М., 2001, №5.

45. Малышев В.В., Куршин В.В. Методика построения высокоточной навигационной спутниковой системы. Тезисы докладов на I Всесоюзной конференции по проблемам управления, КуАИ, 1983.

46. Малышев В.В., Куршин В.В. Навигация авиационного потребителя с использованием цифровых карт. Электронный журнал "Труды МАИ", 2003, № 12. http://www.mai.ru.

47. Малышев В.В., Куршин В.В. Навигационный алгоритм с использованием GPS/WAAS оборудования и высотомера: Сб. трудов 5 международной конференции "Системный анализ и управление космическими комплексами", Евпатория, 2000

48. Малышев В.В., Куршин В.В. Навигация на основе ГЛОНАСС/GPS и угловых измерений в условиях ограниченной радиовидимости // Известия Академии наук. Теория и системы управления. М., 2003, №5.

49. Малышев В.В., Куршин В.В. Определение положения потребителя с использованием одиночной антенны на основе дальномерных и фазовых измерений // Известия Академии наук. Теория и системы управления. М., 2003, №2.

50. Малышев В.В., Куршин В.В. Определение скорости потребителя при помощи навигационных систем GPS и ГЛОНАСС, Международная космическая конференция-2001, М., 2001.

51. Малышев В.В., Куршин В.В. Разработка методов анализа, синтеза и управления сложными ракетно-космическими системами. Отчет по теме 1.19.01, этап № 6, 2002 г.

52. Малышев В.В., Куршин В.В. Разработка методов анализа, синтеза и управления сложными ракетно-космическими системами. Отчет по теме 1.19.01, этап № 7, 2002 г.

53. Малышев В.В., Куршин В.В. Разработка методов анализа, синтеза и управления сложными ракетно-космическими системами. Отчет по теме 1.19.01, этап № 8, 2002 г.

54. Малышев В.В., Куршин B.B. Спутниковая навигация. Учебное пособие. М.:МАИ, 2002.

55. Малышев В.В., Федоров A.B., Куршин В В. Разработка алгоритмов и программного комплекса моделирования навигационных определений различных потребителей с использованием системы ГЛОНАСС/GPS, отчет по теме 20320-06040, 20001 г.

56. Митрикас В.В., Ревнивых С.Г., Быханов Е.В. Определение параметров перехода из системы координат ПЗ-90 в WGS-84 для совместного использования систем ГЛОНАСС и GPS // Радиотехника, 1998, №9.

57. Поваляев A.A., Тюбалин В.В., Хвалъков A.A. Определение относительных координат по радиосигналам системы ГЛОНАСС // Радиотехника, 1996, №4.

58. Почукаев В.Н. О некоторых тенденциях в развитии систем управления КА // Космонавтика и ракетостроение, ЦНИИМАШ, 2000, №20.

59. Почукаев В.Н., Ревнивых С.Г. и др. Орбитальное построение космического сегмента широкозонного функционального дополнения к спутниковым навигационным системам для обслуживания территории РФ // Космонавтика и ракетостроение, 2002, №4.

60. Проспект фирмы Advanced Orientation Systems, Inc. http://www.aositilt.com.

61. Проспект фирмы FURUNO. "Company profile", http://www.fliruno.com.

62. Проспект фирмы PNI Corp. http://www.precisionnav.com.

63. Проспект фирмы Транзас. "Индикатор навигационной обстановки АБРИС".

64. Радиосвязь и навигация №1, Среднеорбитальные спутниковые радионавигационные системы, под ред. Ярлыкова М.С., выпуск II, 2000.

65. Радиосвязь и навигация №2, Среднеорбитальные спутниковые радионавигационные системы, под ред. Ярлыкова М.С., выпуск IV, 2000.

66. Романов Л.М., Судаков В. Ф., Шинков В.Д., Рязанов С.H., Фатеев В. Ф. Космические навигационные системы, Министерство обороны РФ, 1994.

67. Российский радионавигационный план, НТЦ "Интернавигация", Москва, 1994.

68. Салищев В.А. Космическая радионавигация. МосГУГК, 1995.

69. Салищев В.А., Дворкин В.В., Виноградов A.A., Букреев A.M. Станция мониторинга радионавигационных полей систем ГЛОНАСС-GPS и определения дифференциальных поправок // Радиотехника, 1996, №1.

70. Соловьев Ю.А. Системы спутниковой навигации, М.:ЭКО-ТРЕНДЗ, 2000.

71. Филиппов М.В., Янкущ А.Ю. Сравнение GPS и традиционных методов геодезических работ // Геодезия и картография, 1995, №9.

72. Харисов В.Н., Перов А.И., Болдин В.А. и др. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС. М.: ИПРЖР, 1999.

73. Чернявский Г.М., Бартенев В.А. Орбиты спутников связи. М.: Связь, 1978.

74. Шебшаевич B.C. Введение в теорию космической навигации. М.: Сов.Радио, 1971.

75. Шебшаевич B.C., Дмитриев П.П., Иванцевич Н.В. и др. Сетевые спутниковые радионавигационные системы. М.: Радио и связь, 1982.

76. A Technical Report to the Secretary of Tranportation on a National Approach to Augmented GPS Services U.S. Department of commerce, 1994.

77. Alter K. In-flight Demonstrations of Curved Approaches and Missed Approaches in Mountainous Terrain // Proceedings of the ION GPS 98, 1998.

78. Arbinger С., Enderle W. Spacecraft Attitude Determination using a Combination of GPS Attitude Sensor and Star Sensor Measurements // Proceedings of the ION GPS 2000, 2000.

79. Ashtech Navigation & OEM Products GG24 OEM Board & Sensor GPS+GLONASS, Reference Manual.

80. Bartenev V.A., Krasilshikov M.N., Malyshev V.V. Current GLONASS status, upgrades and prospective, Air & Space Europe, Vol. 1, №2, 1999.

81. Book S.A., Brady W.F., Mazaika P.K. The nonuniform GPS constellation, IEEE, Plans'80, Posit.Locat. and Navig.Symp.Rec.

82. Brown R.G. GPS RAIM: Calculation of Thresholds and Horizontal Integrity Limit Using Chi-square Methods A Geometric Approach. RTCA Paper No.491-94/SC 159-584, Washington, 1994.

83. Bykhanov E. V. Earth rotation parameters determination from measurements of GLONASS satellites trajectories // Proceedings of Astronomy Institute of RAN "Space geodesy and modern geodynamics", Moscow, 1996.

84. Casale G., Angelis M., Marco P. Investigation of GNSS CNS/ATM Interface Requirements, Alenia Marconi Systems, GNSS-99 Conference, Genova, Italy, 1999.

85. Chou H.-T. An anti-SA filter for non-differential GPS users // Proceedings of the ION GPS-93, 1993.

86. Christie J., Ко P., Pervan В., Enge P., Parkinson B. Analytical and Experimental Observations of Ionospheric and Tropospheric Decorrelation Effects for Differential Satellite Navigation during Precision Approach // Proceedings of ION GPS-98, 1998.

87. Christie J., Ко P., Hansen A., Pullen S., Pervan В., Parkinson B. The Effects of Local Ionospheric Decorrelation on LAAS: Theory and Experimental Results // Proceedings of the ION National Technical Meeting 1999,1999.

88. Comp С. Demonstration of WAAS Approach and Landing in Alaska // Proceedings of ION GPS 98, 1998.

89. Conley R. GPS Performance: What is Normal? // Journal of the Institute of Navigation. Vol. 40, No. 3, 1993.

90. Dai D. Interoperation of Distributed SBASs: Theory, Experience from NSTB and Future Perspective // Proceedings of ION GPS 98, 1998.

91. Department of Defense World Geodetic System 1984, Defense Mapping Agency Technical Report TR-8350.2, September 1991.

92. DGPS corrections over the Internet, http://www.wsrcc.com/wolfgang/gps.

93. Kaplan E. D. Understanding GPS: Principles and Applications, Artech House Publishers, Boston, 1996.

94. Enge P. WAAS Messaging System: Data Rate, Capacity, and Forward Error Correction // Navigation, Journal of The Institute of Navigation, Vol. 44, No. 1, 1997.

95. Enge P., Parkinson B., Powell J.D., Walter T. Wide Area Differential GPS Laboratory at Stanford University, http://waas.stanford.edu.

96. Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment. RTCA/D0160D, Washington, 1997.

97. Fernow J.P. Interoperability Between SBASs // Proceedings of the ION GPS-97, 1997.

98. Fugawi Navigation Software, http://www.fugawi.com.

99. Fuller R. Interoperation and Integration of Satellite Based Augmentation Systems // Proceedings of ION GPS 98, 1998.

100. Gabaglio V. Centralised Kaiman Filter for Augmented GPS Pedestrian Navigation // Proceedings of the ION GPS-2001.

101. Galileo: Involving Europe in a New Generation of Satellite Navigation Services, European Commission, Brussels, 1999. http://www.galileo-pgm.org.

102. Galileo: Structural Analysis of the European Satellite Navigation Application Segment, Technomar GmbH, 2000.

103. Galileo: The European Program for Global Navigation Services, European Space Agency, 2002. http://europa.eu.int/comm/dgs/energytransport/galileo.

104. GARMIN International, http://www.garmin.com.

105. Global Positioning System Standard Positioning Service Signal Specification. 2nd Edition, U.S. Department of Defence, Washington, 1995.

106. Global Positioning System: Theory and Applications, Volume I, II. Edited by Parkinson B. W., Spilker J. J., American Institute of Aeronautics and Astronautics, Washington, 1996.

107. GNSS Based Precision Approach Local Area Augmentation System (LAAS): Signal-In-Space Interface Control Document (ICD). RTCA/DO-246, Washington, 1998.

108. Goad C. Optimal filtering of pseudoranges and phases from single-frequency GPS receivers // Navigation, Vol. 37, No. 3, 1990.

109. GPS moving map software, http://www.landings.com/landings/pages/gps-tech.html.

110. GPS Risk Assessment Study, The Final Report, The Johns Hopkins University, VS-99-007,1999.

111. GPS/GLONASS Satellite Simulator, Spirent Global Simulation Systems. http://www.gssl.co.uk.

112. Graham A., Eng P. The Use of Raw GPS for Vertical Navigation // Proceedings of the ION GPS 2001, 2001.

113. Haas F., Lage M. Analysis of Recent Wide Area Augmentation System (WAAS) Flight Tests // Proceedings of the ION National Technical Meeting, 1995.

114. Hairer E., Norsett S.P., Wanner G. Solviky Ordinary Differential Equation. I.: Non stiff Problems. Springer-Verlag, Besling, Heidelberg, London, 1987.

115. ICD-GPS-200, NAVSTAR GPS Space Segment/Navigation User Interfaces (Public Release Version), ARINC Research Corporation, 11770 Warner Ave., Suite 210, Foutain Valley, CA 92708, 1991.

116. Ivanov N., Salischev V., Vinogradov A. Ways of GLONASS system advancing // Proceedings of the ION GPS-95, 1995.

117. Javad Positioning Systems, http://www.javad.com.

118. Jeppesen Sanderson Inc. http://www.jeppesen.com.

119. McGrath J.K. TSO-C129a, Airborne Supplemental Navigation Equipment Using the Global Positioning System, FAA Aircraft Certification Center, Washington, 1999.

120. StudennyJ. Baro-Altimeter Calibration for GPS Integrity. RTCA Paper No. 23 5-95/SC159-639, Washington, 1995.

121. Juang J.C., Jang C.W. Failure detection approach applying to GPS autonomous integrity monitoring, IEE Proc.-Radar, Sonar Navigation, Vol. 145, No. 6, 1998.

122. Kelly R.J. Derivation of the RAIM Agorithm from First Principles with Performance Comparisons Between Published Algorithms // Proceedings of ION Technical Meeting, 1996.

123. Kelly R.J., Davis J.M. Required Navigation Performance (RNP) for Precision Approach and Landing with GNSS Application // NAVIGATION: Journal of The Institute of Navigation, Vol.41, No.l, 1994.

124. Kovach K., Huffman L. SCAT-I Integrity Method: Detection or Estimation? // Proceedings of the ION-GPS 97, 1997.

125. Kruh. P. Buildup and replacement of Navstar GPS and the 18-satellite constellation, Int.Telem.Conf., 1981, Vol.17, No.2.

126. Kruh P. The Navstar GPS six-plane 18-satellite constellation, Nat.Telecom.conf., New Orleans, 1981.

127. Lage M., Elrod B. Flight Testing and Evaluation of Wide Area Differential GPS // Proceedings of the ION National Technical Meeting, 1993.

128. Lear W. M., Montez M. N., Rater L. M, Zula L.V. The effect of selective availability on orbit space vehicles equipped with SPS GPS receivers // Proceedings of the ION GPS-92, 1992.

129. LeickA. GPS satellite surveying. Second edition. John Wiley & Sons, INC. USA. 1995.

130. Leland E. Cunningham On the computation of the spherical harmonic term needed during the numerical integration of the orbital motion of on artificial satellite. Celestial Mechanics, 1970.

131. Malyshev V, Kurshin V. Adaptive navigation algorithm, GNSS 2000 conference, Edinburgh, 2000.

132. Malyshev V.V., Krasilshikov M.N., Bobronnikov V.T., Dishel V.D., Leite Filho W.C., Ribeiro T.S. Aerospace Vehicle Control. Modern Theory and Applications, IAE, Brazil, 1996.

133. Manual for the validation of GNSS in civil aviation / Application of the MUSSST methodology to civil aviation, 2000, http://www.galileo-pgm.org

134. Manual on Required Navigation Performance (RNP), First Edition. International Civil Aviation Organization (ICAO) Doc 9613, 1994.

135. Martinez M. A Operational Results in a full-integrated aircraft navigation system with standard avionics using DGPS, MLS and DME/P // Proceedings of the ION-GPS 94, 1994.

136. Minimum Aviation Performance Standards for the Local Area Augmentation System (LAAS). RTCA/DO-245, Washington, 1998.

137. Minimum Aviation System Performance Standards DGNSS Instrument Approach System Special Category I (SCAT-I). RTCA/DO-217, Washington, 1993.

138. Minimum Aviation System Performance Standards: Required Navigation Performance for Area Navigation. RTCA/DO-236, Washington, 1997.

139. Minimum Operational Performance Standards for Airborne Area Navigation Equipment Using Multi-Sensor Inputs. RTCA/DO-187, Washington.

140. Minimum Operational Performance Standards for Airborne Supplemental Navigation Equipment Using Global Positioning System (GPS). RTCA/D0-208, Washington, 1991.

141. Minimum Operational Performance Standards for Global Positioning System/Wide Area Augmentation System Airborne Equipment. RTCA/DO-229B, Washington, 1999.

142. Misra P.N., Abbot R.I., Gaposchkin E.M. Transformation between WGS 84 and PZ-90 // Proceedings of the ION GPS-96.

143. Miyano T., Matsumoto S., Suzuki Y., Mugitani T. GPS Range Safety for The H-IIA Launch Vehicle // Proceedings of the ION GPS 2001, 2001.

144. Montenbruck O., Pfleger T. Astronomic mit dem personal computer. Springer Verlag, Berlin, 1993.

145. Luo N. Centimetre Level Relative Positioning of Multiple Moving Platforms Using Ambiguity Constraints // Proceedings of the ION GPS-2000, 2000.

146. NAVSTAR GPS User Equipment Introduction, September 1996, Internet. http://www.navcen.uscg.mil/gps/geninfo/gpsdocuments/.

147. Misra P., Pratt M., MuchnikR., Burke B., Hall T. GLONASS Performance: Measurement Data Quality and System Upkeep // Proceedings of the ION GPS-96, 1996.

148. Parkinson B., Axelrad P. Autonomous GPS Integrity Monitoring Using the Pseudorange Residial, ION, Vol.35, No. 2, Summer, 1988.

149. Pogorelc, S., Enge, P., DiMeo, M., Kalinowski, S., Dehel, T. Flight and Static Test Results for the NSTB // Proceedings of ION GPS-97, 1997.

150. Pullen S., Parkinson B. Optimal Augmentation of GPS Using Inexpensive Geosynchronous Navigation Satellites // Proceedings of the ION GPS-97, 1997.

151. Report of EUROPEAN COMMISSION Involving Europe in a New Generation of Satellite Navigation Services, Brussels, 9 February 1999, http://www.galileo-pgm.org/.

152. Robert Gray R., Graas F. Inflight Detection of Errors for Enhanced Aircraft Flight Safety Using DTED with GPS and Radar Altimeter // Proceedings of the ION GPS 1999, 1999.

153. RTCM recommended standards for differential NAVSTAR GPS service, Ver.2, Radio Technical Commission for Maritime Services, Washington, 1990.

154. Satellite Navigation Toolbox User's Guide for Matlab, GPSoft, 1998.

155. Sleewaegen J.M. GPS Selective Availability error contains a small component with a period of 3 seconds. Influence on the phase measurement noise, Geophysical Research Letters, Vol. 26, no. 13, pp. 1925-1928, July 1, 1999.

156. Software Considerations in Airborne Systems and Equipment Certification. RTCA/DO-178B, Washington, 1992.

157. Standards for Processing Aeronautical Data. RTCA/D0-200A, Washington, 1998.

158. Stephen J. Operation of an Integrated Vehicle Navigation System in a Simulated Urban Canyon // Proceedings of the ION GPS 2000, 2000.

159. Swedish Civil Aviation. http://www.lfV.se/ans/card.

160. The Federal Aviation Administration http://gps.faa.gov/.

161. The U.S. Coast Guard Navigation Center. http://www.navcen.uscg.mil/default.htm.

162. Trimble Navigation, http://www.trimble.com.

163. U.S. Coast Guard Navigation Center, http://www.navcen.uscg.mil.

164. User Recommendations for Aeronautical Information Services. RTCA/D0-201, Washington, 1988.

165. Walter T., Enge P. Weighted RAIM for Precision Approach // Proceedings of the ION GPS-1995, 1995.

166. Walter T., Enge P., Parkinson B., Hansen A. Demonstration of WAAS aircraft approach and landing in Alaska // Proceedings of the ION GPS-1998, 1998.

167. Walter T., Kee C. Flight Trials of the Wide Area Augmentation System (WAAS) // Proceedings of the ION GPS-1994, 1994.

168. Weber T., Trautenberg H. L., Schifer C. Galileo System Architecture -Status and Concepts // Proceedings of the ION GPS-2001, 2001.

169. Wide Area Augmentation System (WAAS), Federal Aviation Administration Specification, FAA-E-2892B, U.S. Department of transportation, 1999.

170. Wullschleger V., Laughlin D., Haas F. FAA Flight Test Results for GPS Wide Area Augmentation System (WAAS) Cross-Country Demonstration // Proceedings of the ION Annual Meeting, 1994.

171. Lee Y.C. Example Fault Detection and Exclusion Algorithm. RTCA Paper No. 595-95/SC159-683.

Похожие работы

Информатика, вычислительная техника и управление
05.13.00