автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.14, диссертация на тему:Методы оценки и контроля целостности бортового навигационного оборудования спутниковой системы посадки

На правах рукописи

Соболев Сергей Павлович

□□305ТТЭ8

«-ии/

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ И КОНТРОЛЯ ЦЕЛОСТНОСТИ БОРТОВОГО НАВИГАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ ПОСАДКИ

Специальность- 05 12 14 - Радиолокация и радионавигация

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2007

003057798

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

Научный руководитель -

кандидат технических наук, доцент Орлов В К

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Осипов А В кандидат технических наук Коротков А Н

Ведущая организация - Открытое акционерное общество «Ордена трудового красного знамени Всероссийский научно-исследовательский институт радиоаппаратуры» (ОАО «ВНИИРА»)

Защита состоится диссертационного

, оо

" /б1" _2007 г. в " часов на заседании

совета Д 212.238 03 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" им В. И. Ульянова (Ленина) по адресу 197376, Санкт-Петербург, ул Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан " /<? " аугСьЛ 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

С А. Баруздин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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

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

Общим недостатком таких систем является их высокая стоимость и сложность технического обслуживания, обусловленная рядом причин

-один комплект наземного оборудования позволяет обслуживать только одну взлетно-посадочную полосу и только в одном направлении,

- необходимость сложной инженерной подготовки местности в районе установки наземных радиомаяков,

- высокие эксплуатационные расходы,

- большая мощность излучаемого сигнала влечет повышенное энергопотребление и риск для персонала

В соответствии с современной концепцией технической модернизации средств навигации, предлагаемой Федеральной службой воздушного транспорта России, в 2006 — 2015 гг планируется постепенный переход к использованию глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) в качестве основного средства на всех этапах полета вплоть до автоматического захода на посадку воздушного судна по I категории ICAO при использовании наземных систем функционального дополнения ГНСС на базе локальных контрольно-корректирукйцих станции (JIKKC)

Применение ГНСС с ЛККС, таким образом, позволит снизить затраты на обслуживание воздушного движения за счет замены разнотипного оборудования едиными средствами и обеспечения всех этапов полета воздушного судна, включая категорированный заход на посадку на аэродром, не оборудованный инструментальной системой посадки

Невысокая стоимость бортового оборудования ГНСС и наземного оборудования ЛККС позволит оснастить множество аэродромов К настоящему времени в РФ из 1000 аэродромов, находящихся в эксплуатации в гражданской авиации, лишь около 70 оснащены системами инструментальной посадки

При заходе воздушного судна на посадку по I категории ICAO, к бортовому навигационному оборудованию воздушного судна предъявляется ряд требований, в том числе

-точность определения местоположения воздушного судна должна быть не хуже 16 м (95%) в горизонтальной плоскости и 6 м (95%) в вертикальной,

- риск потери целостности (вероятность отсутствия предупреждения о недопустимом снижении точности за время посадки) должен быть не более 2 10~7 за время посадки

Требуемая точность определения местоположения достигается в дифференциальном режиме работы ГНСС, организуемом за счет данных, получаемых по радиоканалу от ЛККС, установленной в районе аэропорта Поскольку эффективная дальность действия ЛККС составляет десятки километров, то одна ЛККС позволяет обслуживать все взлетно-посадочные полосы заданного аэропорта

Задачей навигационного оборудования воздушного судна является определение местоположения судна в пространстве Кроме того, на борту воздушного судна реализуется алгоритм предупреждения пилота о недопустимом снижении точности решения навигационной задачи, называемый алгоритмом контроля целостности

Суть алгоритма контроля целостности заключается в сравнении с порогами ошибок определения координат воздушного судна, получаемых путем пересчета оценок ошибок псевдодальномерных измерений и дифференциальных поправок В дополнение к этому, для оценки целостности используется информационная избыточность, то есть наличие измерений навигационной информации от датчиков, работающих на других физических принципах Требуемое значение риска потери целостности обеспечивается за счет методов и алгоритмов принятия решения

В настоящее время вопросами целостности спутниковых навигационных системы активно занимается ГНЦ ЦНИИ РФ «Электроприбор» Предложенный его сотрудниками проф Дмитриевым С П и Осиновым А В алгоритм многоальтернативной фильтрации относится к классу алгоритмов автономного контроля целостности (ИАГМ), не использующим информацию смежных систем Основной идеей подобных алгоритмов является учёт предыдущих состояний системы и оценка аномальной погрешности псевдодальномерных измерений, с использованием априорных сведений о модели изменения координат подвижного объекта, а также модели возникновения нарушений Недостатком такого метода является вычислительная сложность, нарастающая в процессе работы алгоритма при увеличении альтернативных цепочек состояния системы Так же в э гом методе не рассматривается информационная целостность в комплексе с оценкой надёжности аппаратуры

Миронов М А, Башаев А В , Полосин С А предлагают алгоритм контроля целостности с использование смежных бортовых систем (баровысотомер, инерциальная навигационная система (ИНС)), те разновидность алгоритма 11А1М, использующего дополнительную информацию В литературе такие алгоритмы обычно называют алгоритмами АА1М Однако они также не рассматривают вопрос в комплексе с аппаратурной надежностью системы В то же время, применение алгоритмов комплексирования данных с ИНС, порождает

дополнительную проблему компенсации накапливающейся ошибки определения навигационных параметров и усложняет алгоритм оценки

Цель работы разработка и исследование методов оценки и алгоритмов контроля целостности бортового навигационного оборудования спутниковой системы посадки (ССП), с учётом надежностных и точностных характеристик аппаратуры и параметров системы технического обслуживания

Основные методы исследования. Для решения поставленной задачи применялись теоретические методы статистической радиотехники и статистической теории радионавигации Экспериментальные исследования выполнены методом полунатурного и натурного моделирования с использованием записей сигналов навигационных приемников ГНСС и показаний бортового оборудования, а также в составе комплекса бортового оборудования самолета Як-42 в ходе лётных испытаний

Научная новизна состоит в комплексном подходе к оценке и контролю целостности бортового оборудования ССП Отличительным свойством предложенных методов и алгоритмов является учёт аппаратурной надёжности наравне с информационной целостностью, определяемой на основе комплексной оптимально-инвариантной обработки с использованием данных от барометрического высотомера и спутниковой навигационной системы Другой характерной особенностью предлагаемого метода оценки целостности является использование графо-аналитического подхода на основе представления событий в виде пуассоновских потоков

Научные положения, выносимые на защиту:

- метод оценки целостности спутниковой системы посадки на основе графо-аналитического метода, с учётом параметров надежности, точности и технического обслуживания бортового оборудования,

- методика построения бортового комплекса, удовлетворяющего требованиям к целостности ССП,

-способ контроля целостности на основе комплексной оптимально-инвариантной обработки информации с учётом аппаратурной надёжности,

-алгоритмы контроля целостности для бортового оборудования ССП с использованием фильтра разностного сигнала, на основе представления погрешностей измерителей в виде марковских процессов первого порядка,

- способ выбора алгоритма контроля целостности для реализации в бортовой аппаратуре ССП

Практическая ценность работы состоит в решении задачи обеспечения целостности бортового навигационного оборудования спутниковой системы захода на посадку I категории 1САО Разработанные алгоритмы контроля целостности были реализованы в программном обеспечении бортового оборудования ССП

Достоверность результатов работы подтверждается аналитическими расчетами, данными цифрового и полунатурного моделирования, а также результатами летных испытаний

Внедрение результатов работы осуществлено ЗАО «ВНИИРА-Навигатор» (г Санкт-Петербург) при разработке спутниковой системы посадки, объединенной с комплексом оборудования системы раннего предупреждения близости земли «СРПБЗ», предназначенного для повышения безопасности полетов воздушных судов

Апробация работы Основные положения диссертационной работы представлялись и обсуждались на

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

-научно-технической конференции, посвященной 65-летию СПбГУАП «ЛИАП», 2006 г

- 8-й конференции молодых ученых "Навигация и управление движением", СПб, ГНЦ ЦНИИ «Электроприбор», 2006 г

- научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2005, 2006 гг

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, из них - 5 статей, одно свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы, включающего 127 наименований, и четырех приложений Основная часть работы изложена на 130 страницах машинописного текста Работа содержит 50 рисунков и 16 таблиц

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе выполнено обоснование направления исследований, связанное с анализом

-требований к спутниковым системам посадки в части обеспечения целостности, непрерывности и эксплуатационной готовности,

- состава и структуры глобальной навигационной спутниковой системы, принципов построения комплекса оборудования спутниковой системы посадки (ССП),

-методов контроля целостности навигационного оборудования воздушного судна и методов формирования показателей точности дифференциальных поправок в локальной контрольно-корректирующей станции

Объектом исследования является бортовое навигационное оборудование, работающее по сигналам глобальной навигационной спутниковой системы и других бортовых измерителей (баровысотомер, инерциальная навигационная система)

Одним из важнейших параметров ГНСС, используемой для обеспечения захода воздушного судна на посадку, является целостность ГНСС, характеризуемая риском потери целостности - вероятностью пропуска ситуации недопустимого снижения точности решения навигационной задачи на борту воздушного судна за время посадки

В соответствии с международными стандартами, для обеспечения захода воздушного судна на посадку по I категории 1САО, риск потери целостности не должен превышать 2 Ю-7 за заход На борту воздушного судна должно быть устройство контроля целостности Контроль целостности заключается в сравнении с порогами ошибок определения координат воздушного судна, представленных горизонтальным и вертикальным защитными уровнями

Наличие информационной избыточности на борту позволяет создать алгоритмы контроля качества навигационной информации Информационная избыточность и, как следствие, алгоритмы могут быть разделены на три уровня

-информационная избыточность спутниковой информации, появляющаяся за счет постоянного нахождения в поле радиовидимости количества спутников больше минимально необходимого — этот вид избыточности позволяет реализовать полностью автономный контроль целостности внутри модуля спутникового приемника (алгоритм ЮММ),

— информационная избыточность, появляющаяся при использовании имеющейся бортовой навигационной аппаратуры - наличие измерителей, работающих на других физических принципах, позволяет реализовать бортовой автономный контроль целостности (АА1М), не использующий данные от систем функциональных дополнений ГНСС,

- информационная избыточность, появляющаяся при использовании уточняющей информации от локальной контрольно-корректирующей станции, с использованием которой можно выбрать спутниковые каналы с наилучшими характеристиками и организовать дифференциальный автономный контроль целостности (ОИАЕМ)

В первой главе рассмотрены известные методы формирования показателей точности (функциональный метод, оценочный метод) дифференциальных поправок Показано, что данные методы имеют ограничения, затрудняющие их использование в ЛККС авиационного назначения

Вторая глава посвящена разработке и исследованию методов оценки целостности бортового оборудования с учётом аппаратурной надёжности его подсистем

Метод оценки аппаратурной надёжности основан на представлении потоков событий отказов элементов, нарушений целостности системы, восстановлений, и проч в виде дискретных марковских процессов

Если процесс, протекающий в системе, является марковским с непрерывным временем и дискретным множеством состояний, то все потоки, переводящие систему из одного состояния в другое, являются пуассоновскими Пуассо-новский поток, переводящие систему из состояния Н, в состояние Н1 характеризуется одной функцией - интенсивностью потока событий Н(/), которая может быть любой неотрицательной функцией времени, = 1,и, где и, конечное множество возможных состояний системы _

Изменение безусловных вероятностей РД/), 1 = \п нахождения системы в различных состояниях во времени определяются системой линейных уравнений Колмогорова при известном распределении вероятностей состояний системы в начальный момент времени р,(/„)

где Р (I)- вектор размерности "х1, компонентами которого являются вероятности Р,(/), Лг(г)- транспонируемая матрица размерности пхп, компонентами которой являются интенсивности Яь (О

Рассматривается случай, когда интенсивность пуассоновского потока, переводящего систему из одного состояния в другое постоянна во времени, в этом случае пуассоновский поток будет простейшим, дискретный марковский процесс однородным, а дифференциальное уравнение (1) можно представить в следующем виде

Множество всех состояний системы Я можно рассматривать как множество вершин некоторого графа, а процесс перехода из состояния в состояние -как процесс блуждания точки по вершинам этого графа Вершина графа Н, может быть либо соединена, либо не соединена с вершиной Нп /,у = 1,п Это эквивалентно тому, что система, попав в состояние Н1, либо может непосредственно перейти из этого состояния в состояние Нп либо такого перехода осуществить не может В результате, дискретная система характеризуется ориентированным графом состояний, определяющим схему возможных переходов из состояния в состояние, на котором нанесены вершины (состояния), соединённые ориентированными рёбрами

(1)

(2)

решение которого имеет следующий вид Р (0 = {ехр[Лг

Во второй главе рассмотрен один из вариантов состава оборудования спутниковой навигационной системы посадки (СНСП), содержащий следующие основные компоненты

1 БМС - дублированная бортовая многофункциональная система, в состав которой входит приемоизмеритель ГНСС с антенной

2 АПДД - аппаратура приема и преобразования дифференциальных данных от ЛККС по радиоканалу земля-борт, на борту устанавливается два комплекта,

3 БВ - дублированный барометрический высотомер,

Ориентированный граф, характеризующий состояние бортового комплекса системы захода на посадку для предлагаемого варианта построения приведен на рис 1

На рис 1 приняты обозначения

Я,-состояние полной работоспособности спутниковой навигационной системы захода на посадку (СНСП), т е это такое состояние системы, при которой навигационная информация, выдаваемая потребителю, удовлетворяет техническим требованиям и может обеспечить точный заход на посадку,

Я,-=-#3- состояния СНСП, соответствующие обнаруживаемым отказам одной её компоненты (1-4) или несвоевременностью поступления сигналов, при которых навигационная информация, выдаваемая потребителю, не удовлетворяет техническим требованиям и не может обеспечить точный заход на посадку,

Н6 - состояние СНСП, при которой навигационная информация, выдаваемая потребителю удовлетворяет техническим требованиям точного захода на посадку самолёта, но вследствие ложных отказов принято решение, что полу-

чаемая навигационная информация недостоверна и экипаж не может пользоваться данной системой,

Н7 - состояние СНСП, при которой навигационная информация, выдаваемая потребителю, не удовлетворяет техническим требованиям и не может обеспечить точный заход на посадку, но вследствие необнаруженных отказов принято решение о том, что получаемая навигационная информация соответствует техническим требованиям точного захода на посадку по первой категории

Безусловную вероятность Л(/> принятия правильного решения о пригодности полученной в данный момент времени / навигационной информации можно следующим образом

^(0 = 1-^(0-^(0

Предложенный метод оценки целостности является наглядным и универ-с.щьным для оценки и прогнозирования технического состояния системы, на основе которого рассчитываются минимальные требования к качеству информационного контроля в СНСП

Третья глава посвящена разработке и исследованию бортового алгоритма контроля целостности В качестве алгоритма бортового контроля целостности (АА1М) предложена комплексная оптимально-инвариантная обработка сигналов, основанная на анализе разностного сигнала (измерений высоты), полученного на выходе спутниковой навигационной системы и от барометрического высотомера (БВ) При этом показания БВ переводятся в систему координат \VGS-84 Использование разностного сигнала позволяет устранить неопределенность, связанную с наличием полезного сигнала в измерениях и анализировать только разность ошибок двух измерителей

Моделью погрешности измерений спутниковой высоты является аддитивная композиция белого шума, аппроксимирующего высокочастотные погрешности радионавигационных спутниковых систем Моделью погрешности измерений БВ является марковская последовательность первого порядка, определяющая низкочастотную погрешность баровысотомера, с регулярными составляющими, в общем случае изменяющимися во времени

Предполагается, что априорные законы распределения погрешностей измерения в каждом состоянии измерителей являются нормальными и известны условные вероятности перехода измерителей из любого состояния на текущем шаге в любое состояние на следующем шаге на каждом шаге наблюдения Отказы отдельных измерителей взаимно независимы Моделями потоков отказов измерителей являются марковские последовательности, значения переходных и начальных вероятностей которых известны

Задача фильтра заключается в выделении погрешности измерения БВ на фоне случайного процесса, представляющего собой погрешность измерений СНС

Принятие решения о состоянии системы осуществляется на основе оценки апостериорных вероятностей состояний измерителей с учетом состояния на

предыдущем шаге (инерционная обработка), без учёта состояния на предыдущем шаге (безынерционная обработка) Для инерционной обработки также рассматриваются модификации усреднения с предположением наличия отказа измерителей на предыдущем шаге (минимаксный вариант), с предположением исправности измерителей на предыдущем шаге

Апостериорные вероятности состояний измерителей формируются в соответствии с выражением (3)

</•[«, О + Ъ.щО +1) I т'ЛЛщ О), 20 +1), г(7)] = (3)

р[щр+о1ж;о)рко+') | т\ о)]Х X ¿П/",О+1)140)] РК0+1)К0)]х

х Л'О +1) I *0),щ О + X/IX/ + ОI г0),т,(./),т20),т'0)>™2*(./)]

?

7 = 1,2, , - апостериорная вероятность нахождения в7+1 момент времени измерителей в состояниях тк (] +1) при условии, что в моменты времени J были приняты решения о нахождении измерителей в состояниях т'к0), к= 1,2 и на у и шагах наблюдались реализации разностного сигнала г(]) и 2(]+1), /[гО +1) | г О). т10 1). С/+ О- "'Г О). »»2 О)] - условная плотность распределения значений разностного сигнала г()+1) при условии, что в предыдущий момепт времени наблюдалось значение разностного сигнала гЦ), в момент времени _/+1 измерители находятся в состояниях ти{]+\) и в предыдущие моменты времени были приняты решения о нахождении измерителей в состояниях га* О). к=1,2

Критерием выбора состояния системы был принят критерий Котельнико-

ва

Рассмотрены модификации алгоритма безынерционная обработка, инерционная обработка без учёта состояния измерителей на предыдущем шаге, с учётом состояния на предыдущем шаге, с предположением отказа на предыдущем шаге (минимаксная обработка), минимаксная обработка с усреднением, обработка по критерию квазиэффективной точности, «калмановский» алгоритм фильтрации без учета состояния измерителей

На основе моделей ошибок измерителей, с учётом их состояния производится нелинейная фильтрация и оценка погрешностей измерителей, за счёт чего повышается точность определения высоты летательного аппарата, что особенно актуально для системы посадки Вводятся критерии сравнения алгоритмов на основе эффективности комплексирования и идентификации состояния

В четвертой главе приводятся результаты численного моделирования разработанных алгоритмов и методика расчёта надёжности предложенной структуры построения бортового оборудования Рассматриваются способы

описания моделей ошибок используемых датчиков навигационной информации

Проводится анализ и моделирование зависимости требований к качеству контроля в зависимости от надёжностных характеристик оборудования, систем встроенного контроля При использовании в качестве исходных данных параметров надежности и глубины встроенной системы контроля существующего бортового оборудования, осуществлялась оценка изменения качества контроля целостности и влияние на целостность всей системы Исследуется изменение показателя целостности системы посадки при ухудшении параметров надежности отдельных элементов структуры бортового комплекса Моделируется и анализируется изменение целостности всего посадочного комплекса со временем

На основе выполненных исследований формулируется вывод об обеспечении требований к целостности для спутниковых систем посадки категории I 1СЛО в случае использования предложенной структуры построения комплекса бортового оборудования и реализации разработанных алгоритмов контроля

Моделирование алгоритмов контроля целостности проводится в два этапа: первый - с полной априорной информацией о полезных сигналах и об ошибках, второй — при подаче на вход разработанного алгоритма данных записей показаний спутниковой навигационной системы и барометрического высотомера, полученных в ходе натурных облётов оборудования

На первом этапе, при наличии информации об истинных погрешностях, оценивается результат работы алгоритма контроля целостности, качество получаемых оценок погрешностей измерителей, ошибка оценки полезного сигнала на выходе алгоритма комплексной обработки, достоверность идентификации состояния системы, производится выбор оптимального алгоритма контроля целостности на основе критериев максимума сравнительной эффективности ком-плексирования и минимума суммы вероятностей ложного и необнаруженного отказов (эффективность идентификации)

На втором этапе оцениваются результаты работы алгоритмов при использовании данных натурных испытаний

В пятой главе выполнены экспериментальные исследования, в ходе которых

-показана практическая реализуемость разработанных алгоритмов контроля целостности ССП на существующей элементной базе,

- экспериментально подтверждена работоспособность предложенных алгоритмов при работе на борту самолета со штатными бортовыми системами,

- показано соответствие расчетных (прогнозируемых) состояний отказа и состояний отказа, имевших место при проведении натурных экспериментов

На рис 2 представлена синтезированная в процессе исследований структура бортового оборудования, позволяющая реализовать разработанные алгоритмы контроля и достичь требуемого уровня целостности бортового оборудования ССП Оценка целостности системы с предложенной структурой была

произведена в главе 2, различные варианты надёжности подсистем и их влияние на целостность было рассмотрено в главе 4

На рис 2 приведены следующие основные блоки бортового оборудования СНСП

СВС - бортовая система воздушных сигналов (источник барометрической высоты),

Антенна СНС - используемая на самолете антенна ГНСС,

Бортовая УКВ антенна — используемая бортовая ультракоротковолновая антенна,

Бортовая навигационная система (PAN) (1) и (2) - два комплекта аппаратуры, в состав которых входят приемоизмерители ГНСС PAN выполняет функции системы отображения навигационно-посадочной информации в виде отклонений от синтетической глиссады и информации поступающей от СРЕБЗ На дисплее этой системы также отображается состояние комплекса бортового оборудования ССП Практическая реализация была осуществлена при использовании системы СРПБЗ (система раннего предупреждения близости земли) (PAN 1) и Индикатора СРПБЗ-П (PAN 2) со встроенными спутниковыми приёмниками и с функцией решения задачи посадки

Бортовой приемник VDB (1) и (2) - два комплекта аппаратуры, в состав которой входят бортовые приемники дифференциальных данных и параметров опорных траекторий, передаваемых от ЛККС (Практическая реализация была осуществлена при использовании двух комплектов аппаратуры приема дифференциальных данных (АПДД)

ПНП - штатный бортовой самолетный пилотажно-навигационный прибор

Для проверки реализуемости разработанных методов контроля целостности был использован серийно выпускаемый бортовой индикатор системы раннего предупреждения близости земли (СРПБЗ) со встроенным спутниковым приёмоизмерителем ГНСС В этот индикатор было загружено программное обеспечение, реализующее разработанные алгоритмы контроля целостности В качестве измерений барометрического высотомера использовались оцифрованные значения относительной барометрической высоты от СРПБЗ, переведённые в систему координат WGS-84 Для получения уточняющей информации от локальной контрольно-корректирующей станции (ЛККС) использовалась аппаратура приема и преобразования дифференциальных данных (АПДД)

Рис 2 Структура комплекса бортового навигационного оборудования спутниковой системы захода на посадку

Было разработано специальное программное обеспечение, реализующее взаимодействие со всеми перечисленными бортовыми системами, а также программа регистрации состояния ССП при проведении натурных летных испытаний

, На рис 3 представлен результат регистрации отклонений от курса (а) и глиссады (б), вырабатываемых инструментальной (сплошная линия) и спутниковой (пунктир) системами в ходе летных испытаний

б)

Рис 3 Сигналы ILS и ССП

В табл 1 приведены значения разности вырабатываемых сигналов ILS и ССП на различных дальностях

Таблица 1. Отличие вырабатываемых параметров ССГ1 от параметров 1Ь5

' Удаление ::арг.метры ;;о.~ 1 кы —■ 4 км "..1-.... . 5 ! 4Г Ъ км .......к.....б а®

6к <М) - О.,,;--.- :■-: 1 . ' : - V ■ . - .:... -0, 3 -0,3 -1,3

6г ■ -м) -1,6 3 8,1

ПК (М; : ■ Яи ж ■ "■' НМ? 0,6 1,5 4,4

1 2,2 6,2

Обработка зарегистрированных в процессе проведения летных испытаний данных полностью подтвердила работоспособность разработанных алгоритмов и программ для контроля целостности бортового оборудования СНСП.

Приложение содержит: -описание программного обеспечения моделирования, разработанное в среде МаШсас! и позволяющее:

- моделировать работу измерителей и ошибки измерений;

- моделировать работу алгоритма контроля целостности на основе комплексной оптимально-инвариантной обработки;

- описание программного обеспечения регистрации состояния спутниковой навигационной системы посадки.

Описание программного обеспечения включает в себя перечень и схему взаимодействия программных модулей, общую блок-схему алгоритма работы программы, частные блок-схемы алгоритмов обработки навигационных измерений и дифференциальных данных, а также описание пользовательского графического интерфейса,

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Разработан метод оценки целостности аппаратуры комплекса бортового навигационного оборудования спутниковой системы захода на посадку.

2. Разработаны способы контроля целостности на основе комплексной обработки навигационной информации.

3. Предложена структура построения комплекса бортового оборудования, обеспечивающая требуемый уровень целостности.

4. Разработана методика оценки эффективности работы алгоритма контроля целостности.

5. Разработана методика оценки достаточности качества информационного контроля для заданных характеристик бортового оборудования

6. Проведено компьютерное моделирование, выполнебш полунатуркые и натурные эксперименты, в ходе которых показано согласие расчетной оценки качества измерений с экспериментальными данными, экспериментально подтверждена работоспособность предложенного алгоритма контроля целостности дня бортового навш-ациоиного оборудования спутниковой системы захода на посадку

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1 Толоконников С В Свойства алгоритма автономного контроля целостности спутниковой навигационной информации для бортового оборудования навигации и посадки / А А Рогова, С П Соболев, С.В Толоконников // Изв ГЭ1У / СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (Известия Государственного электротехнического университета) — 2004 — Вып 2. Радиоэлектроника и телекоммуникации - С. 55-60.

2 Бабуров В И Способ расчета отклонений самолета от курсовой линии и глж сады в бортовом оборудовании спутниковой системы посадки / В И Бабу-ров, А А Рогова, С.П. Соболев // Научный вестник НГТУ (Научный вестник Новосибирского Государственного технического университета) №1(19), г Новосибирск, 2004 -С 3-10

3 Программа формирования предупредительной и аварийной сигнализаций / Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005611918 // Гомин С В , Макельников А А , Соболев СП и др - 1 08 2005 (выдано федеральной службой по интеллектуальной собственности и товарным знак ам)

4 Иванов Ю П Метод оценки целостности спутниковой навигационной системы на основе графо-аналитического подхода / Ю П Иванов, В Г Никитин, С П Соболев // Н34 Научная сессия ГУ АЛ Сб докл В 3 ч Ч 1 Технические науки /ГУ АЛ СПб, 2006 251 с ил, с 27-30

5 Иванов Ю П Анализ целостности спутниковой навигационной системы посеДки / В Г Никитин, А А Рогова, О И Саута, С П Соболев // Сборник научных трудов НГТУ (Сборник научных трудов Новосибирского Г осударствен-ного технического университета), - 2006 -№2(44) - С 9-20

6. Иванов Ю П Метод оценки целостности спутниковой навигационной системы / Ю. П Иванов, В Г Никитин, А А Рогова, О И Саута, С П Соболев // Изв вузов России. Радиоэлектроника / СПбГЭТУ «ЛЭТИ» - 2006 - Вып 5 Радиоэлектроника и телекоммуникации - С 69-77

Подписано в печать 11 04 07 Формат 60*84 1/16 Бумага офсетная Печать офсетная Печ л 1,0 Тираж 100 экз Заказ 14

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

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

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПРОБЛЕМЫ КОНТРОЛЯ ЦЕЛОСТНОСТИ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ ПОСАДКИ.

1.1. ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СПУТНИКОВЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПОСАДКИ.И

1.2. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ДОПОЛНЕНИЯ СПУТНИКОВЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ НА БАЗЕ ЛОКАЛЬНЫХ КОНТРОЛЬНО-КОРРЕКТИРУЮЩИХ СТАНЦИЙ.

1.2.1. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ СПУТНИКОВОЙ НАВИГАЦИИ.

1.2.2. ПОСТРОЕНИЕ ЛОКАЛЬНЫХ КОНТРОЛЬНО-КОРРЕКТИРУЮЩИХ СТАНЦИЙ.

1.3. БОРТОВАЯ АППАРАТУРА СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ ПОСАДКИ.

1.3.1. БОРТОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ЗЕМЛЯ-БОРТ

1.3.2. КОМПЛЕКС БОРТОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ СИСТЕМЫ СПУТНИКОВОЙ ПОСАДКИ.

1.3.3. КОМПЛЕКСИРОВАНИЕ НАВИГАЦИОННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ ПРИ ОБРАБОТКЕ ИНФОРМАЦИИ.

1.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЦЕЛОСТНОСТИ НАВИГАЦИОННОЙ ИНФОРМАЦИИ

1.5. ТРЕБОВАНИЯ К ЦЕЛОСТНОСТИ СИСТЕМ СПУТНИКОВОЙ ПОСАДКИ.

1.6. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ И КОНТРОЛЯ ЦЕЛОСТНОСТИ.

1.7. РАСЧЕТ НЕПРЕРЫВНОСТИ РАБОТЫ (НАДЕЖНОСТИ) АППАРАТУРЫ.

1.8. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

2. МЕТОД ОЦЕНКИ ЦЕЛОСТНОСТИ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ ПОСАДКИ.

2.1. ОБЩИЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ ЦЕЛОСТНОСТИ.

2.2. РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК НЕПРЕРЫВНОСТИ (НАДЕЖНОСТИ) БОРТОВОЙ АППАРАТУРЫ.

2.3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГРАФОАНАЛИТИЧЕСКОГО МЕТОДА И МОДЕЛИ ДИСКРЕТНОГО МАРКОВСКОГО ПРОЦЕССА ДЛЯ ОЦЕНКИ ЦЕЛОСТНОСТИ

2.4. ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2.

3. КОНТРОЛЬ ЦЕЛОСТНОСТИ В БОРТОВОМ ОБОРУДОВАНИИ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ ПОСАДКИ.

3.1. КОМПЛЕКСНАЯ ОПТИМАЛЬНО-ИНВАРИАНТНАЯ ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЦЕЛОСТНОСТИ.

3.2. ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АПОСТЕРИОРНОЙ ИНФОРМАЦИИ.

3.3. АЛГОРИТМЫ КОНТРОЛЯ ЦЕЛОСТНОСТИ.

3.4. ОЦЕНКА ДОСТОВЕРНОСТИ ИДЕНТИФИКАЦИИ СОСТОЯНИЙ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АПРИОРНОЙ ИНФОРМАЦИИ.

3.5. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ КОМПЛЕКСИРОВАНИЯ ДЛЯ ПРЕДЛОЖЕННЫХ АЛГОРИТМОВ.

3.6. ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЦЕЛОСТНОСТИ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ ПОСАДКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЦИФРОВОГО И ПОЛУНАТУРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.

4.1. ОЦЕНКА ЦЕЛОСТНОСТИ БОРТОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ВАРЬИРОВАНИИ ХАРАКТЕРИСТИК НАДЁЖНОСТИ МОДУЛЕЙ.

4.2. МОДЕЛИРОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ КОНТРОЛЯ ЦЕЛОСТНОСТИ.

4.2.1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ.

4.2.2. ОПИСАНИЕ МОДЕЛЕЙ ОШИБОК ДАТЧИКОВ НАВИГАЦИОННОЙ ИНФОРМАЦИИ.

4.2.3. МОДЕЛИРОВАНИЕ С УЧЁТОМ ПОЛНОЙ АПРИОРНОЙ ИНФОРМАЦИИ

4.2.4. МОДЕЛИРОВАНИЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДАННЫХ КОНТРОЛЬНОГО ОБЛЁТА.

4.3. ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4.

5. БОРТОВАЯ АППАРАТУРА СИСТЕМЫ СПУТНИКОВОЙ ПОСАДКИ.

5.1. РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА БОРТОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ ПОСАДКИ.

5.1.1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ССП И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АППАРАТНО-ПРОГРАММНОГО РЕЗЕРВИРОВАНИЯ.

5.1.2. ОБЩАЯ СТРУКТУРА БОРТОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ.

5.1.3. АНАЛИЗ ОБЩЕЙ СТРУКТУРЫ КОМПЛЕКСА БОРТОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ.

5.2. ОПИСАНИЕ БОРТОВОЙ АППАРАТУРЫ.

5.3. НАТУРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ.

5.3.1. СИСТЕМА РЕГИСТРАЦИИ.

5.3.2. РЕЗУЛЬТАТЫ НАТУРНЫХ ИСПЫТАНИЙ.

5.4. ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 5.

Для обеспечения безопасности полета ВС высокие требования предъявляются к целостности навигационной информации [40,41]. Качество контроля целостности характеризует способность системы обнаруживать свое неправильное функционирование и своевременно исключать возможность использования ее данных пользователями при недопустимых отклонениях рабочих характеристик. Фактически, когда речь идет о целостности системы ГНСС, основной информацией являются данные о состоянии спутников, их неисправностях, о возможных искажениях сигналов в каналах передачи информации, об отказах и недопустимых ошибках оценок навигационных параметров в бортовой аппаратуре и рисках использования недостоверной информации.

В настоящее время ведутся работы по улучшению характеристик непрерывности и целостности систем ГНСС, особенно в части повышения достоверности контроля их работоспособности и сокращения времени оповещения объекта о целостности системы. Возможны два варианта контроля целостности системы, основанные на автономных и внешних методах контроля.

Автономные методы предполагают использование избыточной информации навигационных датчиков потребителя, которую они получают, принимая навигационные сигналы от большего, чем минимально необходимо, числа навигационных спутников, а также других измерителей, имеющихся на борту ВС. С помощью специальных алгоритмов автономного контроля целостности (RAIM) [13] можно обнаружить нарушения целостности информации [1, 4, 11, 21, 114, 118]. К сожалению, RAIM позволяет обнаружить отказь1 только при больших погрешностях измерений псевдодальностей, в несколько раз превышающих среднеквадратическое отклонение (СКО) в штатной ситуации [62].

Усложнённые алгоритмы автономного контроля целостности позволяют повысить достоверность контроля, однако такие алгоритмы подразумевают накопление достаточно большого объёма информации и обработку в инерционном режиме, т.е. с учётом предыстории [41]. Такие алгоритмы весьма требовательны к ресурсам бортовой аппаратуры и достаточно чувствительны к модели сигнала; кроме того, они не инвариантны к полезному сигналу.

Внешние методы основаны на создании сети станций для обеспечения контроля работоспособности навигационных спутников в режиме реального времени. В этом случае узел сети - региональный вычислительный центр -осуществляет обработку данных, получаемых от наземных станций слежения, и формирует сообщение о целостности системы. Процедура внешнего контроля является более сложной, поскольку требует создания наземной сети. Однако такое решение задачи целостности позволяет получить более полную информацию о системе, которой принципиально не может располагать отдельный потребитель при автономном контроле целостности.

Таким образом, для обеспечения требуемых параметров надёжности работы системы, необходимо применять комплексный подход к обработке навигационной информации, используя имеющуюся информационную избыточность, чем можно обеспечить уровень контроля, который в сочетании с аппаратурной надёжностью и позволит оставаться в рамках международных требований к спутниковым системам посадки (ССП).

Целью диссертационной работы является разработка и исследование методов оценки и алгоритмов контроля целостности бортового навигационного оборудования спутниковой системы посадки (ССП), с учётом надёжностных и точностных характеристик аппаратуры и параметров системы технического обслуживания.

Научная новизна состоит в комплексном подходе к оценке и контролю целостности бортового оборудования ССП. Отличительным свойством предложенных методов и алгоритмов является учёт аппаратурной надёжности наравне с информационной целостностью, определяемой на основе комплексной оптимально-инвариантной обработки с использованием данных от барометрического высотомера и спутниковой навигационной системы. Другой характерной особенностью предлагаемого метода оценки целостности является использование графо-аналитического подхода на основе представления событий в виде пуассоновских потоков.

В первой главе диссертации проведён обзор существующих определений и трактовок термина «целостность» применительно к навигационной информации, рассмотрены элементы глобальной навигационной спутниковой системы посадки и проанализировано их влияние на целостность. Также проанализированы требования к целостности бортового оборудования спутников, проведён обзор принципов контроля целостности, методов оценки целостности и способов расчёта надёжности аппаратуры.

Во второй главе разработан метод оценки целостности бортового оборудования ССП на основе графо-аналитического метода с учётом параметров точности, надёжности и технического обслуживания. Рассмотрены структуры бортового оборудования ССП и проведены расчёты их надёжности, предложена структура, удовлетворяющая требованиям к непрерывности бортового оборудования ССП.

В третьей главе разработаны алгоритмы контроля целостности бортового оборудования ССП с учётом параметров надёжности измерителей на основе комплексной оптимально-инвариантной обработки сигналов. Предложены критерии выборочной эффективности алгоритмов на основе оценки эффективности фильтрации ошибок измерений и достоверности идентификации состояния измерителей.

В четвёртой главе проведено численное моделирование метода оценки целостности и алгоритмов контроля, разработанных в главах 2 и 3 соответственно, подтверждающие их эффективность.

В пятой главе приведены результаты экспериментов, натурных и лётных испытаний. Рассмотрена структура бортового оборудования ССП, разработанная на основе структуры, предложенной в главе 2. Проведён анализ результатов регистрации лётных испытаний бортового оборудования ССП.

В приложении 1 приведён алгоритм численного моделирования метода оценки целостности бортового оборудования ССП, реализованный в среде МаЛсас!.

В приложении 2 приведён алгоритм численного моделирования автономного контроля целостности ЛАМ, реализованный в среде Ма11аЬ.

В приложении 3 приведён алгоритм численного моделирования алгоритмов контроля целостности и оценки их эффективности.

В приложении 4 приведена реализация алгоритмов контроля целостности на языке С.

На защиту выносятся следующие положения:

- метод оценки целостности спутниковой системы посадки на основе графо-аналитического метода, с учётом параметров надёжности, точности и технического обслуживания бортового оборудования;

- методика построения бортового комплекса, удовлетворяющего требованиям к целостности ССП;

-способ контроля целостности на основе комплексной оптимально-инвариантной обработки информации с учётом аппаратурной надёжности;

- алгоритмы контроля целостности для бортового оборудования ССП с использованием фильтра разностного сигнала, на основе представления погрешностей измерителей в виде марковских процессов первого порядка;

- способ выбора алгоритма контроля целостности для реализации в бортовой аппаратуре ССП.

5.4. ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 5

1. Результаты натурных экспериментов и летных испытаний подтверждают основные теоретические положения настоящей диссертационной работы, полученные при разработке алгоритмов комплексной оптимальной инвариантной обработки, в части эффективности использования предложенных методов и алгоритмов при построении ССП.

2. Реализованные в бортовом оборудовании (БМС) структура построения системы и алгоритмы обработки в процессе проведения натурных экспериментов и летных испытаний показали высокую эффективность их использования и практическую реализуемость с использованием реальных современных вычислительных программно-аппаратных средств.

3. Послеполетная обработка результатов летных испытаний подтвердила, что реализованные в аппаратуре алгоритмы контроля целостности своевременно и с высокой вероятностью обнаруживают сбои в данных, которые используются при формировании навигационно-посадочных сигналов.

4. Выполненные экспериментальные полеты показали, что заходы на посадку самолета Як-42 до высоты Н = 30 - 60 м по сигналам, вырабатываемым в БМС на основе данных от ГНСС и ЛККС при директорном режиме управления, практически не отличается от аналогичных сигналов, формируемых штатной инструментальной посадочной системой типа ИЛС. На дальностях до 50 км от аэродрома, формируемые сигналы имели устойчивый характер без прерываний дифференциального режима работы ГНСС.

5. В процессе проведения летных испытаний целостность данных дифференциального режима работы БМС с реализованными алгоритмами контроля целостности ни разу не нарушалась, т.е. все недостоверные данные были выявлены, а их использование заблокировано. Пилотирование самолетом по формируемым в программном комплексе БМС данным затруднений у экипажа не вызывало.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В соответствии с поставленной в диссертационной работе целью, были проведены разработка и исследование методов оценки и алгоритмов контроля целостности бортового навигационного оборудования спутниковой системы посадки (ССП), с учётом надёжностных и точностных характеристик аппаратуры и параметров системы технического обслуживания.

Исследование характеристик разработанных методов оценки и алгоритмов контроля целостности проведено с использованием цифрового и полунатурного моделирования, а также в рамках наземных и летных испытаний первой в России ССП в аэропорту «Остафьево» (г. Москва).

При выполнении настоящей диссертационной работы получены следующие основные результаты:

1. Разработан метод оценки целостности ССП на основе графоаналитического подхода и модели событий на основе дискретных марковских процессов, который позволяет охватить все компоненты системы (в том числе и встроенные средства контроля целостности) единой схемой учёта параметров надежности, точности и технического обслуживания и прогнозировать поведение параметров целостности ССП с течением времени.

2. Разработанный метод оценки целостности позволяет при использовании данных о надёжности, точности, помехоустойчивости компонент системы и параметров технического обслуживания, на основе графа его состояний и математического аппарата дискретных марковских процессов решить задачу оценки целостности ССП. Анализ графа состояний навигационной системы и полученных решений позволяет определить качественный и количественный характер изменения вероятностей состояний и целостности системы, выявить её «слабые» места, наметить пути и необходимые меры для выполнения технических требований обеспечения целостности ССП. При этом оценка целостности ССП может быть выражена аналитически, что позволяет определять характеристики системы без проведения численного и полунатурного моделирования.

3. На основе теории комплексной оптимально-инвариантной дискретной фильтрации разработан математический аппарат для контроля целостности ССП с использованием информации от барометрического высотомера и спутниковой навигационной системы с учётом надёжностных характеристик реальной бортовой навигационной аппаратуре потребителя (НАЛ). Разработаны семь видов алгоритма контроля целостности ССП: «инерционный», «безынерционный», «минимаксный», «минимаксный-2», «калманов-ский», «квазиэффективной точности», «условно-функциональный», охватывающих все возможные гипотезы о состоянии аппаратуры и их комбинации.

4. На основе разработанных критериев оценки эффективности фильтрации сигнала и достоверности идентификации состояния системы выбраны алгоритмы контроля целостности для реализации в бортовой аппаратуре ССП: «инерционный» и «безынерционный» алгоритмы контроля целостности могут использоваться при формировании сигналов для внешних потребителей, предъявляющих повышенные требования к достоверности информации; «минимаксный» алгоритм использовать не рекомендуется; «калма-новский» алгоритм может быть использован для фильтрации сигналов только при высокой надёжности измерителей. Предложенные алгоритмы являются робастными по отношению к не кардинальному изменению структуры ССП (например, при замене барометрического высотомера на инерциальную навигационную систему алгоритмы не изменятся). В сочетании с методами оценки целостности предложенные алгоритмы контроля позволяют разработать аппаратуру, соответствующую требованиям к целостности ССП I категории 1С АО (1 - 2,0 • 10-7 за заход).

5. Проведены расчеты показателей целостности и надежности бортовой аппаратуры ССП, подтверждающие возможность достижения заданных требований при использовании реально существующей элементной базы и разработанных в диссертации структур построения аппаратуры, способов фильтрации данных и алгоритмов комплексной обработки информации.

6. Предложена структура построения бортового оборудования ССП с элементами аппаратного резервирования, аппаратного и информационного контроля, позволяющая обеспечивать заданные параметры целостности. Результаты расчета надежности бортового оборудования ССП показывают, что для обеспечения требований к параметру непрерывности работы ССП (1 - 8,0 • 1 (Г6 в любые 15 с) необходимо полное дублирование всех элементов бортового оборудования ССП, причём резервирование должно быть нагруженным. При отсутствии резервирования или при резервировании только модуля СНС, требования к непрерывности работы ССП не обеспечиваются. При использовании современной элементной базы вероятность непрерывной работы ССП в любые 15 сек. составляет

1-3,24-10". Это означает, что в настоящее время при построении ССП необходимо ориентироваться на полное дублирование всех элементов бортового оборудования. Этим достигается показатель непрерывности 1-1,17-10"9 в любые 15 сек., что удовлетворяет заданным требованиям.

7. Использование оптимальной инерционной обработки навигационных сигналов позволяет получить

• выигрыш по эффективности комплексирования - в среднем - в 4 раза по отношению к «безынерционному» и в 8 раз - к «минимаксному» алгоритмам;

• выигрыш по достоверности идентификации состояния - в среднем -на 1,2% по отношению к «безынерционному» и на 3% по отношению к «минимаксному» алгоритмам;

8. Минимаксный подход к контролю целостности по показателю качества, уступая безынерционному методу в стационарных условиях, превосходит его в условиях, когда дисперсии флюктуационных погрешностей и регулярных составляющих значительно изменяются и при этом имеют место аномальные измерения.

9. С учетом полученных при выполнении настоящей диссертационной работы результатов было разработано программное обеспечение для опытных образцов изделия «ИСРПБЗ-П» (бортовая аппаратура ССП). Эта аппаратура была размещена на самолете Як-42 и формировала сигналы для систем электронной индикации и пилотажно-навигационных приборов.

10. Разработан комплекс аппаратно-программных средств для численного моделирования алгоритмов контроля и оценки целостности (на базе математического пакетов МаШсас! и МаЙаЬ) и полунатурных исследований (с использованием реальной бортовой аппаратуры ССП). Полученные с использованием данного комплекса результаты подтвердили теоретические выводы об эффективности предложенных алгоритмов контроля и оценки целостности.

11. Результаты натурных экспериментов и летных испытаний подтверждают основные теоретические положения настоящей диссертационной работы, полученные при разработке алгоритмов комплексной оптимальной инвариантной обработки, в части эффективности использования предложенных методов и алгоритмов при построении ССП.

12. Реализованные в бортовой аппаратуре ССП структура построения системы и алгоритмы обработки в процессе проведения натурных экспериментов и летных испытаний показали эффективность их использования и практическую реализуемость с использованием современных вычислительных программно-аппаратных средств.

13. Послеполетная обработка результатов летных испытаний подтвердила, что реализованные в аппаратуре алгоритмы контроля целостности своевременно и с высокой вероятностью обнаруживают сбои в данных, которые используются при формировании навигационно-посадочных сигналов в бортовой аппаратуре ССП. Выполненные экспериментальные полеты показали, что при заходе на посадку самолета Як-42 до высоты Я = 30-60 м сигналы, вырабатываемые в бортовой аппаратуре ССП на основе данных от ГНСС и ЛККС при директорном режиме управления, практически не отличаются от аналогичных сигналов, формируемых штатной инструментальной посадочной системой метрового диапазона (СКО от глиссады 0,0126 градуса или 1,5 м по курсу, 0,0289 градуса или 2,2 м по глиссаде, смещение 0,3 м по курсу и 3 м по глиссаде на удалении 1 - 4 км от точки касания). На дальностях до 50 км от аэродрома, формируемые сигналы имели устойчивый характер без прерываний дифференциального режима работы ГНСС. Пилотирование самолетом по формируемым в программном комплексе изделия «ИСРПБЗ-П» параметрам затруднений у экипажа не вызывало.

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

Дальнейшим развитием алгоритмов контроля целостности видится разработка адаптивных алгоритмов, настраивающихся на особенности работы измерителей, в т.ч. на изменение модели погрешностей их работы; использование радиовысотомера и базы данных рельефа местности для повышения целостности системы. В настоящее время пороговые значения ложного и необнаруженного отказов системы выбираются экспериментальным путём, в дальнейшем планируется рассчитать эти значения аналитически с использованием спектрально-марковского подхода.

1. Braff R. LAAS Performance for Terminal Area Navigation TEXT. // ION 57th Annual Meeting/CIGTF 20th Biennial Guidance Test Symposium, 11-13 June, 2001, Albuquerque, NM, pp. 252-262

2. Brown A. K., Civil Aviation Integrity Requirements for the Global Positioning System, Navigation, Vol. 35, No 1, Spring 1988, p. 23-40

3. Brown R. G., A Baseline GPS RAIM Scheme and a Note on the Equivalence of Three RAIM Methods, Navigation, Vol. 39, No 3, Fall 1992, p. 301-316

4. Carvalho H. Optimal Nonlinear Filtering in GPS/INS Integration Текст. // Carvalho H., Moral P. Del, A. Monin, Salut G. IEEE Trans, on Aerospace and Electronic Syst. 1997. - v.33, N3, July - P.835-850

5. Grewal M. Global Positioning Systems, Inertial Navigation, and Integration. Text. / Grewal M., Weil L., Andrews A // NY: John Whiley & Sons, Inc. Publication, 392 p.

6. Interface Control Document Global Positioning System (ICD-GPS-200C).-1997.- 160 p.

7. Kozel B. J., Cardoza A., Evalution of GPS Positioning Service Autonomous Integrity Monitoring Performance for Military Applications, Proceedings of the 1996 IEEE Position Location and Navigation Symposium, Atlanta, Georgia, 1996, p. 83-91

8. MIL-HDBK-217F «Military handbook reliability prediction of electronic equipment»

9. Parkinson B. W. and Axelrad P., Autonomous GPS Integrity Monitoring Using the Pseudorange Residual, Navigation, Vol. 35, No 2, Summer 1988, p. 255-271

10. Philips R. Relative and Differential GPS, System Implications and Innovative Applications of Satellite Navigation, AGARD Lecture Series 207, 1996, pp. 5.1-5.22

11. Minimum Operational Performance Standards (MOPS) for Airborne Supplemental Navigation Equipment Using Global Positioning System (GPS), Document RTCA/D0-208, prepared by SC-159, July 1991.

12. RTCA/DO-229. Minimum Operational Performance Standards For Global Positioning System/Wide Area Augmentation System Airborne Equipment, January 16, 1996, prepared by SC-159, RTCA, Washington, 280 p.

13. RTCA/DO-217. Minimum Aviation System Performance Standards DGNSS Instrument Approach System: Special Category 1 (SCAT-1)-Revised to Include Change 1. RTCA, Inc., 1996.

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

15. RTCA/DO-246. GNSS Based Precision Approach Local Area Augmentation System (LAAS) Signal-in-Space Interface Control Document (ICD). RTCA, Inc., 2000

16. RTCA/DO-253. Minimum Operational Performance Standards For GPS Local Area Augmentation System Airborne Equipment. RTCA Inc., 2000.

17. Sturza M. A., Navigation System Integrity Monitoring Using Redundant Measurements, Navigation, Vol. 35, No 4, Winter. 1988-89, p. 483-501

18. Van Dyke K. L., RAIM Availability for Supplemental GPS Navigation, Navigation, Vol. 39, No 4, Winter 1992-93, p. 429-443

19. Van Dyke K. L., The World After SA: Benefits to GPS Integrity, Proceedings of IEEE PLANS 2000. San Diego,. CA., March 13-16, 2000, pp. 387394

20. Walter Т., Enge P. A weighted RAIM for precision approach Text. // ION GPS-95, Palm. Springs, California, September, p. 12-15

21. Wullschleger, V. FAA Performance Type 1 LAAS Specification: Performance, Operations, and АТС Requirements Text. / V. Wullschleger // NTM 2000: Proceedings of 2000 National Technical Meeting of the Institute of Navigation. Anaheim, 2000. - p. 194-199.

22. Бабич О. А. Обработка информации в навигационных комплексах Текст. / О.А. Бабич, — М.: Машинострение, 1991. 512 е., ил

23. Балакришнан А.В. Теория фильтрации Калмана. -М.: Мир, 1988 -168 с.

24. Белогородский C.JI. Автоматизация управления посадкой самолета Текст. / C.JI. Белогородский, М. Транспорт, 1972. - 351 с.

25. Бобнев М.П. Комплексные системы радиоавтоматики Текст. / М.П. Бобнев, Б.Х. Кривицкий, М.С. Ярлыков. М.: Сов. радио, 1968. - 232 с.

26. Богданов Ю.С. Курс дифференциальных уравнений Текст. / Ю.С. Богданов, С.А. Мазаник, Ю.Б. Сыроид, Мн: Ушверспэцкае, 1996. -287 с.

27. Богуславский И.А. Прикладные задачи фильтрации и управления Текст. / И.А. Богуславский. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1983. - 400 с.

28. Браславский Д.А. Петров Д.А. Точность измерительных устройств. М., «Машиностроение», 1976. 312 с.

29. Вентцель Е.С., Овчаров JI.A. Теория случайных процессов и её инженерные приложения,- 3-е изд., перераб. и доп. М.: Издательский центр «Академия», 2003. - 432 с.

30. Веремеенко К.К. Оптимальное оценивание параметров вертикального движения в комплексных системах Текст. / К.К. Веремеенко, Д.М. Дрягин Авиакосмическое приборостроение, 2004, № 6, с. 56-62

31. Воробьёв JIM. Воздушная навигация. -М.: Машиностроение, 1984. -256 е.: ил.

32. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС / Под ред. В.И. Харисова, А.И. Перова, В.А. Болдина М.: ИПРЖР, 1998.-342 с.

33. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / Под ред. А.И. Перова, В.Н. Харисова. Изд. 3-е, перераб. -М.: Радиотехника, 2005,688 с.

34. ГОСТ27.002-89 Надёжность в технике. Основные понятия, Термины и определения.

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

36. Гультяев А. Визуальное моделирование в среде MATLAB: Учеб. курс Текст. / А.Гультяев. СПб.: Питер, 2000.-430 е.: ил.

37. Дмитриев С.П., Колесов Н.В., Осипов A.B. Информационная надёжность, контроль и диагностика навигационных систем. СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2004. - 208 с.

38. Дмитриев С.П., Осипов A.B. Фильтрационный подход к задаче контроля целостности спутниковой радионавигационной системы Текст. / С.П. Дмитриев, A.B. Осипов Радиотехника, 2002, №1, с. 39-47.

39. Дмитриев С.П., Степанов O.A. Многоальтернативная фильтрация в задачах обработки навигационной информации. Радиотехника, 2004, №7, с. 11-18.

40. Дьяконов В. Mathcad 2001: Учеб. курс Текст. / В.Дьяконов. СПб.: Питер, 2001.-621 е.: ил.

41. Иванов Ю.П. Комплексирование информационно-измерительных устройств летательных аппаратов Текст. / Ю.П. Иванов, А.Н. Синяков, И.В. Филатов, JL: Машиностроение, ленингр. отделение, 1984, 207 е., ил.

42. Иванов Ю.П. Комплексная фильтрация и классификация сигналов Текст. / Ю.П. Иванов, Ленингр. ин-т авиац. приборостроения.- Л. : Ленингр. ГУ, 1988. - 210 с.

43. Иванов Ю.П. Методы оценки достоверности аттестации и прогнозирования состояния измерительных систем// Оборонная техника. На-учно-техн. Сб. 1995.№ 9-10. с.61-66.

44. Иванов Ю.П. Адаптивная комплексная оптимально-инвариантная фильтрация сигналов/Ю. П. Иванов. Изв. вузов. Приборостроение. 2003. Т. 46, N3.-С. 3-8

45. Казаков И.Е. Анализ стохастических систем в пространству состояний Текст. / И.Е. Казаков, C.B. Мальчиков. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1983. - 384 с.

46. Казаринов Ю.М. Обработка сигналов в комплексированном измерителе при наличии нарушений в радиоканале Текст. / Ю.М. Казаринов, Ю.П. Гришин, Ю.Н. Воловик. Вопросы радиоэлектроники. Сер. Общетехн., 1978, вып. 10, с. 22-31

47. Казаринов Ю.М. Проектирование устройств фильтрации радиосигналов Текст. / Ю.М. Казаринов, А.И. Соколов, Ю.С. Юрченко. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1985. - 160 с.

48. Каргу Л.И. Измерительные устройства летательных аппаратов : Учеб. пособие Текст. / Л.И. Каргу, М.: Машиностроение, 1988. - 256 с.

49. Квалификационные требования. КТ-34-01 «Бортовое оборудование спутниковой навигации», ред. 3 Текст. / Межгосударственный Авиационный Комитет, М.: Изд-во МАК, 2005. - 31 с.

50. Кёртен Р. Введение в QNX Neutrino 2 Текст. / Р. Кёртен, СПб: Изд-во «Петрополис», 2001. - 480 с.

51. Козлов Б.А. Справочник по расчёту надёжности аппаратуры радиоэлектроники и автоматики Текст. / Б.А. Козлов, И.А. Ушаков. М.: Сов. радио, 1975.-472 с.

52. Кофман А., Крюон Р. Массовое обслуживание. Теория и приложе-ние.-М.: 1965.-340 с.

53. Красовский A.A. Теория корреляционно-экстремальных навигационных систем Текст. / A.A. Красовский, И.Н. Белоглазов, Т.П. Чигин. -М.: Наука, 1979.-447 с.

54. Липкин И.А. Спутниковые навигационные системы. М.: Вузовская книга, 2001.-288 е.: ил.

55. Липкин И.А. Статистическая радиотехника. Теория информации и кодирования. М.: Вузовская книга, 2002. - 216 е.: ил.

56. Малюков, С.Н. Импульсно-фазовые системы «Лоран-С» и «Чайка» в глобальной интегральной радионавигационной системе Текст. / С.Н.Малюков, С.Б.Писарев, С.А.Столярова, А.Л.Хотин // Радиотехника.-1999,-№ 11.-С. 50-55.

57. Марковская теория оценивания в радиотехнике Текст. / А.Л.Аникин [и др.]; отв. ред. М.С.Ярлыков. М.: Радиотехника, 2004. - 504 е.: ил.

58. Международные стандарты и рекомендуемая практика. Авиационнаяэлектросвязь. Приложение 10 к Конвенции о Международной Гражданской Авиации. ICAO. 1999.

59. Миронов М.А., Башаев A.B., Полосин С.А. Контроль целостности в бортовых системах функционального дополнения глобальных навигационных спутниковых систем. Радиотехника, 2004, №7, с. 37-42.

60. Миронов, М.А. Марковская теория оценивания случайных процессов Текст. / М.А.Миронов, М.С.Ярлыков. М.: Радио и связь, 1993. -464 е.: ил.

61. Небылов A.B. Гарантирование точности управления Текст. / A.B. Небылов. М.: Наука. Физматлит, 1998 - 304 с.

62. ОСТ 4Г 0.012.242-84 Аппаратура радиоэлектронная. Методы расчёта показателей надёжности

63. ОСТ4 ГО 0.012.233-80 Надёжность радиоэлектронной аппаратуры. Системы самолётные (вертолётные). Методы расчёта показателей безотказности на стадии разработки

64. Половко A.M. Основы теории надежности Текст. / М.: Наука, 1964. -448 е.: ил.

65. Поршнев C.B. Компьютерное моделирование физических процессов в пакете MATLAB. М.: Горячая линия - Телеком, 2003. - 592 с.

66. Пригонюк, Н.Д. Заход на посадку и посадка самолетов по сигналам спутниковых радионавигационных систем Текст. / Н.Д.Пригонюк, М.С.Ярлыков // Радиотехника. 2001. - № 1. - С. 30-43.

67. Программа формирования предупредительной и аварийной сигнализаций / Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005611918 // Гомин C.B., Макельников A.A., Соболев С.П. и др.- 1.08.2005

68. Программа расчета надежности отечественных ЭРИ «Надежность изделий электронной техники и электротехники», изд. РНИИ «Элек-тронстандарт»

69. Программа расчета надежности зарубежных ЭРИ «Надежность зарубежных ЭРИ», изд. РНИИ «Электронстандарт»

70. Прокис Д. Цифровая связь. М.: Радио и связь, 2000. - 800 с.

71. Радиотехнические системы Текст.: учеб. для вузов по спец. «Радиотехника» / Ю.П.Гришин [и др.]; отв. ред. Ю.М.Казаринов. М.: Высш. шк., 1990. - 496 е.: ил.

72. Репников A.B. Задачи программно-алгоритмического обеспечения навигационного пилотажного комплекса Текст. / Репников A.B., Мручко Ю.В., Вальдовский A.B. М.: Изд-во МАИ, 1990. - 83 е., ил.

73. Ривкин С.С. Метод оптимальной фильтрации Калмана и его применение в инерциальных навигационных системах Текст. / С.С. Ривкин. -JL: Изд-во «Судостроение», 1973 146 с.

74. Ривкин С.С. Статистическая оптимизация навигационных систем Текст. / С.С.Ривкин, Р.И. Ивановский, A.B. Костров. М.: Судостроение, 1976. - 280 с.

75. Саати Т. Элементы теории массового обслуживания и её приложенияМ.: Советское радио, 1971 520 с.

76. Савинов Г.Ф. Применение методов оптимальной фильтрации при построении навигационных комплексов Текст. / Савинов Г.Ф. Учеб. пособие. - М.: МАИ, 1980. - 73 с.

77. Сейдж, Э. Теория оценивания и ее применение в связи и управлении Текст. / Э.Сейдж, Д.Меле; пер с англ. по общ. ред. Б.Р.Левина. М.: Связь, 1976.-496 е.: ил.

78. Сетевые спутниковые радионавигационные системы Текст. / П.П.Дмитриев [и др.]; отв. ред. В.С.Шебшаевич. 2-е изд. - М.: Радио и связь, 1993.-408 е.: ил.

79. Сечинский B.C. Использование дифференциального режима в системах спутниковой навигации авиационного применения Текст. / B.C. Сечинский, Изв. высш. учеб. заведений России, - 2002. - Вып. 2, Радиоэлектроника, - с. 69-79

80. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. -М.: Издательский дом «Виль-яемс», 2004. 1104 с.

81. J 84. Соболев С.П. Метод оценки целостности спутниковой навигационной системы на основе графо-аналитического подхода Текст. / Ю.П. Иванов. В.Г. Никитин,

82. Соловьёв Ю.А. Спутниковая навигация и её приложения. -М.: Эко-Трендз, 2003. 326 с.

83. Сосновский A.A. Радиотехнические средства ближней навигации и посадки летательных аппаратов Текст. / А.А.Сосновский, И.А.Хаймович; под общ. ред. А.А.Сосновского. М.: Машиностроение, 1975.-200 е.: ил.

84. Сосулин Ю.Г. Теория обнаружения и оценивания стохастических сигналов Текст. / Ю.Г. Сосулин. М.: Сов. радио, 1978. - 320 с.

85. Степанов O.A. Применение теории нелинейной фильтрации в задачах обработки навигационной информации Текст. / O.A. Степанов -СПб: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2003. - 370 с.

86. Стратонович Р.Л. Условные марковские процессы и их применение к теории оптимального управления. -М.: МГУ, 1966

87. Стулов A.A. Эксплуатация авиационного оборудования спутниковой навигации.- М. Возд. Транспорт, 2002. 236 с.

88. Тараканов К.В., Овчаров JI.A., Гарышкин А.Н. Аналитические методы исследования систем-М.: Советское радио, 1980. 460 с.

89. Тихонов В.И. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем : Учеб. пособие Текст. / В.И. Тихонов, В.Н. Харисов М.: Радио и связь, 2004. - 608 е.: ил.

90. Черкесов Г.Н. Надёжность аппаратно-программных комплексов.-СПб: Питер, 2005, 479 с.юо.Шахтарин Б.И. Случайные процессы в радиотехнике. 2-е изд., испр. и дополн. 4.1. Линейные системы, М.: Радио и связь, 2002. - 568с.: ил.

91. Status of GNSS Standartization Electronic resource.: CAR/SAM/3-IP/6, 16/7/99 // ICAO: Third Caribbean/South American Regional Air Navigation Meeting. Buenos Aires, 1999. - Режим доступа: http://www.icao.int/icao/en/mmeetings.html.

92. Информационно-аналитический центр ЦУП ЦНИИмаш Электронный ресурс. // Режим доступа: http://www.glonass-ianc.rsa.ru

93. Проект поправки к тому I приложения 10 SARPS и инструктивный материал для глобальной навигационной спутниковой системы (GNSS) Электронный ресурс. // Режим доступа: http://www.icao.int/icao/en/mmeetings.html