автореферат диссертации по транспорту, 05.22.13, диссертация на тему:Методы повышения точности навигационных определений с использованием алгоритмов обработки информации в радионавигационных системах с наземным и космическим базированием

На правах рукописи

ПИЧУГИН СЕРГЕЙ МИХАЙЛОВИЧ

МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ НАВИГАЦИОННЫХ ОПРЕДЕЛНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АЛГОРИТМОВ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ В РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ С НАЗЕМНЫМ И КОСМИЧЕСКИМ БАЗИРОВАНИЕМ

Специальность 05.22.13 - Навигация и управление воздушным движением

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

7 ДПР 2011

МОСКВА-2011

4842205

Диссертационная работа выполнена в Московском государственном техническом университете гражданской авиации.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Рубцов Виталий Дмитриевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Маслов Виктор Юрьевич

кандидат технических наук Копцев Анатолий Александрович

Ведущая организация: Государственный научно-

исследовательский институт авиационных систем (ГосНИИАС)

Защита состоится « 2/» ¡? НА 2011 г. в_ часов на

заседании диссертационного совета Д.223.011.01 при Московском государственном техническом университете гражданской авиации по адресу: 125993, г. Москва, А-493, ГСП-3, Кронштадтский бульвар, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ ГА.

Автореферат разослан «_» _ 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор ■—

С.В.Кузнецов

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Повышение требований к безопасности полетов воздушных судов (ВС) в условиях возросшей интенсивности воздушного движения требует применения различных средств навигации (спутниковых радионавигационных систем (СРНС), инерциальных навигационных систем (ИНС), импульсно-фазовых радионавигационных систем (ИФРНС), высотомеров и др.), а также совершенствования алгоритмов совместной обработки информации от этих средств с целью повышения точности навигационных определений.

Удовлетворение современным требованиям по безопасности полетов ВС и точности их навигационного обеспечения на всех этапах полета может быть выполнено только лишь при весьма высоких точностных характеристиках бортовой навигационной аппаратуры приема и обработки сигналов СРНС. Добиться этого в условиях вероятных затенений сигналов от навигационных космических аппаратов (НКА), плохой геометрии НКА рабочего созвездия, перерывов в слежении за их сигналами и многолучевости при распространении радиоволн можно как путем комплексирования данных СРНС и данных автономных средств навигации, так и с помощью использования усовершенствованных алгоритмов обработки информации.

При затенении приемной антенны или при высокой маневренности ВС в аппаратуре потребителя (АП) СРНС возможны срывы в сопровождении за сигналами от НКА. Это обстоятельство влечет за собой потерю сигналов от НКА, и как следствие уменьшение числа НКА в рабочем созвездии, что в свою очередь, влияет на точность определения координат и составляющих вектора скорости ВС или приводит к прекращению навигационных определений в АП СРНС. Так как в современной АП СРНС слежение за сигналом каждого НКА осуществляется индивидуально в отдельном канале коррелятора, расчет сигналов управления слежением за сигналом НКА выполняется независимо для каждого канала коррелятора. При этом оставшиеся в обработке НКА не участвуют в восстановлении слежения за потерянными сигналами.

В АП СРНС канал, по которому был срыв в сопровождении за сигналом от НКА, дает ошибку в определении псевдодальности (ПД) и псевдоскорости (ПС), которые в свою очередь влияют на точности определения координат и составляющих вектора скорости ВС.

Кроме того, низкий уровень сигналов НКА приводит к низкой помехоустойчивости, что делает АП СРНС уязвимой к преднамеренным и непреднамеренным помеховым воздействиям. Вследствие этого нельзя не учитывать возможные срывы сопровождения сигналов отдельных НКА рабочего созвездия в условиях неблагоприятной помеховой обстановки.

Из изложенного следует актуальность проведения научных исследований по тематике диссертационной работы.

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является разработка методов повышения точности навигационных определений с ис-

пользованием алгоритмов обработки информации от СРНС, ИФРНС и автономных средств навигации ВС.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. Разработка алгоритма управления устройствами слежения за сигналами НКА с использованием результатов решения навигационной задачи (НЗ).

2. Оценка зависимости точности определения местоположения ВС в зависимости от числа НКА в рабочем созвездии и режима работы АП СРНС.

3. Оценка возможности обеспечения требуемых навигационных характеристик при полете ВС по трассе и категорированной посадке в сложных условиях эксплуатации за счет сильносвязанного комплексирования датчиков навигационной информации и использования алгоритма управления устройствами слежения за сигналами НКА по результатам решения НЗ.

4. Анализ эффективности использования ИФРНС как функционального дополнения СРНС.

5. Экспериментальное определение необходимой периодичности ввода коррекции ИФРНС по данным СРНС с учетом пространственно-временной корреляции дополнительного набега фазы сигналов ИФРНС.

Методы исследований. При решении перечисленных задач были использованы методы математического анализа, теории вероятностей и теории случайных процессов, методы теории оптимального оценивания, а также методы математического моделирования.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые проведен системный анализ методов повышения точности навигационных определений с применением алгоритма обработки сигналов СРНС, в котором используется обратная связь по решению навигационной задачи как при автономной работе АП СРНС, так и при ее комплексировании с ИНС и ИФРНС.

В работе получены следующие основные научные результаты:

1. Разработан программно-математический комплекс, позволяющий проводить оценку зависимости геометрического фактора от числа НКА в рабочем созвездии и режима работы АП СРНС как методами математического моделирования, так и с использованием реальных орбитальных группировок СРНС СРБ/ГЛОНАСС.

2. Предложен алгоритм расчета навигационных параметров ВС, при котором сигналы управления в контурах слежения за сигналами НКА связаны друг с другом через решение НЗ и проведен анализ его эффективности.

3. Показано, что комплексирование АП СРНС и ИНС с использованием обратной связи по решению НЗ позволяет уменьшить вероятность срывов в сопровождении за сигналами НКА при работе на высокодинамичных ВС.

4. Показано, что использование неитерационного алгоритма определения местоположения ВС при работе по сигналам ИФРНС позволяет осуществлять навигационные определения при работе на границе рабочей зоны, когда Итера-

ционный алгоритм не работоспособен из-за неблагоприятного расположения опорных станций.

5. Экспериментально показано, что флуктуации дополнительного набега фазы сигналов ИФРНС обладают высокой пространственной изменчивостью, и эффективное использование квазидальномерного режима коррекции ИФРНС на динамичном объекте возможно лишь при вводе поправок с периодичностью порядка нескольких минут.

На защиту выносятся:

1. Алгоритм навигационных определений в СРНС с использованием результатов решения НЗ, применимый как при автономной работе АП СРНС, так и при ее комплексировании с ИНС и ИФРНС.

2. Результаты моделирования предложенного алгоритма навигационных определений в СРНС с использованием результатов решения НЗ и оценка его эффективности.

3. Оценка зависимости точности навигационных определений в СРНС от числа НКА в рабочем созвездии и режима работы АП СРНС.

4. Результаты обработки экспериментальных данных навигационных определений в совмещенной АП СРНС и ИФРНС, позволяющие определить периодичность ввода поправки в ИФРНС при ее коррекции по СРНС.

Практическая значимость работы состоит в том, что полученные в ней результаты могут быть использованы службами эксплуатации авиационной техники и разработчиками навигационной аппаратуры, поскольку позволяют:

- повысить точность определения навигационных параметров ВС за счет совершенствования алгоритмов обработки сигналов СРНС и путем ком-плексирования АП СРНС с ИНС и ИФРНС;

- расширить функциональные возможности АП СРНС за счет увеличения точности и уменьшения вероятности срывов в сопровождении за сигналами НКА при интенсивном воздействии помех и при установке АП СРНС на высокодинамичных ВС;

- уменьшить время восстановления навигационных определений при смене рабочего созвездия и срывах в сопровождении за сигналами НКА при затенении антенны АП СРНС горными образованиями, местными предметами или элементами конструкциями ВС при решении задач категорированной посадки ВС;

- обеспечить работу АП СРНС в условиях неполного рабочего созвездия при решении задач поиска и спасания в условиях гористой местности.

Внедрение результатов. Основные результаты работы внедрены в ОАО «Московское конструкторское бюро «Компас»» и в Московском государственном техническом университете гражданской авиации, что подтверждено соответствующими актами.

Апробация результатов. Материалы диссертации докладывались на Международной научно-технической конференции «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества», посвященной 85 - летаю гражданской авиации России (Москва, МГТУ ГА, 2008 г.); на Пятнадцатой

международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (Москва, МЭИ (ТУ), 2009 г.); на Четвертой отраслевой научной конференции-форуме «Технологии информационного общества» (Москва, МТУ СИ, 2010 г.) и на Семнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (Москва, МЭИ (ТУ), 2011 г).

Публикации результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в 4-х статьях и 4-х тезисах докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованных источников.

Диссертация содержит 103 страницы текста, 38 рисунков, 12 таблиц и библиографию из 43 наименований.

Содержание работы

В первой главе диссертационной работы производится анализ зависимости точностных характеристик определения координат и составляющих вектора скорости ВС от количества НКА в рабочем созвездии и режима работы АГ1 СРНС. Рассматривается возможность связать расчет сигналов управления в контурах слежения за сигналами НКА через решение НЗ и тем самым уменьшить число срывов в сопровождении за сигналами НКА на высокодинамичных ВС.

Основной целью работы АЛ СРНС является определение пространственно-временных координат ВС, а также составляющих его скорости, поэтому в результате решения НЗ определяется расширенный вектор состояния ВС, который в прямоугольной системе координат (СК) включает в себя

[X, Y,Z, Vx, Vy,К,Т0,F0J,

где XY.Z.l\,Vr,V.~ координаты и скорости ВС, т0 - уход шкалы времени АП СРНС относительно шкалы времени СРНС, f0 — скорость ухода шкалы времени АП СРНС относительно шкапы времени СРНС.

Число НКА в рабочем созвездии в АП СРНС зависит от того одна СРНС (GPS или ГЛОНАСС) или обе СРНС одновременно (GPS/ГЛОНАСС) используются для определения местоположения ВС, а также от географического положения самого ВС и от условий радиовидимости НКА - открытое место, навигация в городских условиях или гористой местности и т.д. Число видимых НКА при полете в гористой местности, где велика вероятность затенения сигналов от НКА или при работе в сложной помеховой обстановке при низких значениях отношения сигнал/шум (ОСШ), может быть меньше минимального (4-х при работе по 1 -й СРНС и 5-ти при работе по 2-м СРНС). В результате этого возникает задача оценить изменение в зависимости от числа НКА в рабочем созвездии и режима работы АП СРНС параметра, характеризующего точность определения местоположения ВС (геометрического фактора). Кроме этого необходимо

рассмотреть способы уменьшения числа неизвестных параметров и как следствие этого уменьшения минимального числа НКА, необходимых для решения НЗ.

В АЛ СРНС для определения координат ВС и коррекции его шкалы времени образуется система уравнений, неизвестными которой являются три координаты и г„- С учетом того, что неизвестных оказывается 4-е, необходимо иметь не менее 4-х определений ПД относительно 4-х НКА. Далее данная система уравнений решается методом наименьших квадратов (МНК).

Системы ГЛОНАСС и GPS используют свои собственные центры системного эталона времени и частоты, на основе данных которых происходит синхронизация всех временных процессов в рассматриваемых навигационных системах. Если навигационные параметры ВС определяются с использованием сигналов от двух СРНС, возникает проблема, связанная с различием между системными временами этих двух СРНС. Это расхождение временных шкал СРНС определяется при решении НЗ. В этом случае, решается система уравнений с 5-ю неизвестными и для ее решения, соответственно, необходимо наличие сигналов как минимум от 5-и НКА.

При наличии у потребителя АЛ СРНС высокостабильного опорного генератора можно оценить параметр т0 Один раз и далее, приняв это значение за постоянное, работать в дальномерном режиме. Тем самым можно уменьшить минимальное число НКА необходимое для решения НЗ до 3-х.

Среднеквадратическое отклонение (СКО) погрешности определения местоположения ВС можно представить как произведение двух сомножителей: СКО погрешности псевдодальномерных измерений о и геометрического фактора, характеризующего зависимость точности навигационных определений местоположения ВС в АЛ СРНС от взаимного расположения ВС и НКА:

(1)

где ах - СКО погрешности псевдодальномерных измерений, а Н- матрица направляющих косинусов, характеризующая взаимное расположение ВС и РЖА.

В табл. 1 приведены значения вертикального и горизонтального геометрического фактора в дальномерном и псевдодальномерном режимах работы АП СРНС. Как видно из табл. 1, при работе по двум СРНС значение геометрического фактора ухудшается по сравнению с работой по каждой из систем в отдельности. Дальномерный режим работы при избыточном числе НКА позволяет получить значительный выигрыш в точности определения навигационных параметров ВС.

В существующей АП СРНС по завершению режима поиска сигналов видимых НКА каждому обнаруженному НКА назначается свой канал в корреляторе. На вход канала обработки поступают квадратурные компоненты сигнала, а также определенные для данного НКА значения частоты несущей и сдвига

псевдослучайной последовательности (ПСП). Значения этих параметров являются грубыми. В блоке сопровождения осуществляется уточнение этих параметров сигнала и слежение за ними. В этом случае выходные данные коррелятора (квадратурные цифровые сигналы) используются для вычисления сигналов, управляющих работой этого же канала коррелятора. Благодаря этому определяются ПД и ПС только для одного канала, то есть для одного НКА. Аналогичные задачи решаются в других каналах коррелятора. Программный модуль, ответственный за определение ПД и ПС для каждого НКА, осуществляет первичную обработку. С использованием программы вторичной обработки, по ПД и ПС, вычисляются координаты, составляющие вектора скорости и временные параметры ВС.

Таблица 1 - Значения геометрического фактора при псевдодальномерном режиме работы с 4-мя, 5-тью оцениваемыми навигационными параметрами, а так же при работе в дальномерном режиме (3-й оцениваемых навигационных параметра)

Режим работы N»=6 N=8 N=12

НБОР УБОР НБОР УБОР НБОР УБОР

Дальномерный (3 неизвестных) 1.909 1.775 1.379 1.291 1.098 1.049

Псевдодапьно-мерный(4 неизвестные) 2.7330 3.1070 1.9534 2.3243 1.2381 1.4857

Псевдодальио- мерный (5 неизвестных) 3.1971 3.5060 2.2298 2.6284 1.3351 1.6062

* N - число НКА в рабочем созвездии.

При затенении приемной антенны или при высокой маневренности ВС в АП СРНС возможны срывы в сопровождении за сигналами от НКА. Это обстоятельство влечет за собой потерю сигналов от НКА и как следствие уменьшение числа НКА в рабочем созвездии. Уменьшение числа принимаемых НКА в АП СРНС, как видно из табл. 1, ухудшает точность определения местоположения ВС.

Исходя из этого целесообразно рассмотрение метода расчета навигационных параметров ВС, при котором сигналы управления в контурах слежения за сигналами НКА связаны друг с другом через решение НЗ. Возникает задача сравнить его с классическим методом решения НЗ и оценить возможность реализации в существующей АП СРНС.

На рис. 1 приведена блок-схема, поясняющая принцип работы АП СРНС с использованием обратной связи по решению НЗ. В отличие от обычной последовательности операций все пары выходов коррелятора (квадратурные цифровые сигналы) используются одновременно для вычисления навигационных параметров. Полученные координаты и составляющие вектора скорости ВС с учётом известных текущих координат НКА пересчитываются в сигналы управления каналами коррелятора. В этом случае сопровождение сигналов НКА является взаимозависимым и определяется по результатам решения НЗ.

В случае, когда сигналы управления схемами слежения за сигналами НКА связаны друг с другом через решение НЗ вероятность срыва сопровождения при определенном уровне помех по одному или нескольким каналам, нарушающего правильную работу АП СРНС, как это видно из результатов моделирования заметно снижается. Поэтому данный алгоритм повышает помехоустойчивость АП СРНС, как это следует из результатов моделирования, на 710 дБ.

рассогласования по координат, скоростей и

кодовым измерениям и по временные параметры

частоте несущей

Рис. 1. Пояснение принципа работы АП СРНС с использованием обратной связи по решению НЗ

Даже в случае кратковременного исчезновения сигнала НКА на высокодинамичных ВС срывов в сопровождении за ним не происходит, так как слежение в этом канале продолжается даже в отсутствие сигнала. Это позволяет работать при более низких ОСШ, чем в обычной схеме.

Во второй главе диссертационной работы рассматриваются вопросы, касающиеся особенностей комплексирования СРНС с ИНС при использовании рассматриваемого в главе 1 алгоритма, связывающего слежение за НКА через решение НЗ.

Для ИНС характерна автономность, помехозащищенность, высокая скорость выдачи навигационных параметров. Вместе с тем ИНС присуще накопле-

ние ошибок со временем, зависимость точности от аномалий гравитационного поля Земли и большое время готовности, что связано с необходимостью решения задач начальной выставки системы и калибровки ее чувствительных элементов (ЧЭ).

Достоинства СРНС заключаются в малом времени готовности и высокой точности определения координат и скорости подвижного объекта, в частности ВС. При этом отсутствует накопление ошибок. Основными недостатками СРНС являются:

- подверженность внешним помехам;

- возможная недостоверность сигналов из-за нарушений в работе НКА (проблема целостности навигационных определений);

- относительно низкая частота выдачи НП;

- пропадание сигналов НКА, в частности, при затенении антенны АП СРНС горными образованиями, местными предметами или элементами конструкциями ВС.

Последние два недостатка наиболее отчетливо проявляют себя при установке АП СРНС на борту высокодинамичных ВС.

Рассматривается возможность реализации приведенного в главе 1 алгоритма, при котором управление устройствами слежения за сигналами НКА осуществляется с использованием результатов решения НЗ, как части сильносвязанной схем комплексирования СРНС с ИНС. На рис. 2 представлена блок-схема реализации этого алгоритма. При этом используется модель ошибок ИНС. Параметры и состояние модели корректируются по результатам оценки координат ВС с помощью обратной связи К. Полученная ошибка АХтс вычитается из показаний ИНС, а полученные координаты Хюс пересчитываются в ПД, представленные на схеме вектором ршс. Сам алгоритм управления устройствами слежения за сигналами НКА с использованием результатов решения НЗ обозначен на рис. 2 как блок векторного управления.

ПД сравниваются со значениями, полученными от СРНС, и на основании этого формируется оценка координат объекта X, а также вектор обратной связи К. Полученная оценка X поступает на вход блока векторного управления, где она используется для формирования вектора управления и.

В приведенной концепции сильносвязанного комплексирования ИНС и СРНС рассматривается тот аспект интеграции этих систем, когда ИНС «помогает» бортовой АП СРНС в поиске, приеме и обработке радиосигналов от НКА. В свою очередь, применение калмановской фильтрации позволяет оценивать погрешности ИНС и' осуществлять ее коррекцию. Эта коррекция позволяет получать достаточно точные значения навигационных параметров при работе по одной ИНС в случае потери сигнала от РЖА рабочего созвездия.

Согласно схеме сильносвязанного комплексирования с целью повышения помехоустойчивости АП СРНС в следящие схемы приемника вводится поддержка от ИНС. Чтобы использовать координаты, составляющие вектора ско-

рости и ускорения ВС для поддержки АП СРНС, необходимо пересчитать их в ПД ПС и радиальные ускорения в направлении на НКА:

РЯ, ^Ь-хУ+Ь-уУ+Ь-хУ+Т,,

(2)

где РК,, РКЯ, - ПД и ПС до 1-го НКА; А, - радиальное ускорение ВС относительно 1-го НКА; х,у,г, Ух,Уу,Уг, АХ,АУ,А, - координаты, скорости и ускорения ВС; х^у^г,, У'^У'^У,, А'Х,А'У,А\ - координаты, скорости и ускорения ¡-го НКА.

Модель ошибок ИНС

ЛЛ"

Фильтр Калмана

СРНС

и

Р свъс

Вычисление псевдодзльностой

Вычисление оцеихи координат

Валорное управление

А'

Л"

Рис. 2. Схема комплексирования СРНС и ИНС с использованием обратной связи по решению навигационной задачи

Полученные навигационные параметры пересчитываются в радионавигационные (задержку псевдослучайной последовательности (ПСП) г,, фазу р,и частоту несущей / и производную частоты /):

РЯ, РЯ, , РЯЯ, ■, А, с Л Я Я

где с и Л - скорость света и длина волны, соответственно.

Задержка ПСП т,, фаза <р, и частота несущей / используются для инициализации соответствующих следящих схем после срыва слежения за сигналами НКА в АП СРНС. Тем самым сокращается время поиска сигналов СРНС и время вхождения в режим слежения, а также улучшаются характеристики контуров слежения за кодом и частотой несущей сигналов НКА.

В третьей главе диссертационной работы проводится анализ совместимости алгоритмов навигационных определений в ИФРНС типа Ьогап-С и «Чайка» с алгоритмами, используемыми в АП СРНС, при использовании ИФРНС в качестве ее функционального дополнения. Производится оценка эффективности квазидальномерного алгоритма коррекции ИФРНС по данным от АП СРНС.

Интегрирование СРНС и ИФРНС позволяет улучшить доступность и целостность СРНС в географических районах, которые охватываются рабочими зонами ИФРНС. Объединенная радионавигационная система (РНС) может использоваться в качестве основной навигационной системы на всех этапах полета ВС.

В аппаратуре, обладающей возможностью приема и обработки как сигналов СРНС, так и ИФРНС можно объединить достоинства обоих типов систем. Точность определения положения ВС по СРНС на порядок превосходит точность ИФРНС в стандартном режиме, однако, благодаря большой мощности излучаемого сигнала прием сигналов ИФРНС более помехоустойчивый. В свою очередь с помощью координат, полученных по СРНС, можно произвести компенсацию медленно изменяющейся во времени и пространстве погрешности ИФРНС, что позволяет получить точность определения положения ВС, сопоставимую с точностью СРНС.

Другим направлением использования ИФРНС является работа по созданию системы ЕШОИХ, представляющей собой комплексную систему обслуживания, использующую сигнал ИФРНС для передачи дифференциальных поправок и другой сервисной информации потребителям СРНС на большие расстояния.

Проводится сравнительный анализ итерационного и прямого (неитерационного) алгоритмов определения навигационных параметров по сигналам ИФРНС. Преимуществами использования неитерационного варианта решения НЗ по сравнению с итерационным являются:

- меньшее время расчета из-за отсутствия итераций;

- отсутствие обязательного ввода приближенных начальных данных для начала итерационного процесса;

- отсутствие проблемы сходимости даже при плохом геометрическом факторе, например при работе на границе рабочей зоны.

Совершенствование бортовой и наземной аппаратуры ИФРНС привело к существенному уменьшению инструментальных и других случайных погрешностей этих систем, так что точность измерения радионавигационных параметров, в основном, определяется уровнем систематических ошибок, обусловленных особенностями распространения радиоволн. Эта систематическая ошибка, которая существенно ухудшает точность, связана с наличием дополнительного набега фазы сигнала, которая порождается изменением скорости распространения радиоволн над земной поверхностью.

Основной причиной дополнительного набега фазы сигнала является неоднородность электрофизических параметров подстилающей поверхности, которая включает в себя влияние:

- изменения параметров почвы вдоль трассы распространения,

- типа растительного покрова,

- колебаний высоты поверхности над уровнем моря,

- высоты точки приема,

- геометрических неоднородностей поверхности.

Метод коррекции ИФРНС с использованием сигналов СРНС (квазидаль-номерный способ) заключается в следующем. По известным координатам подвижного объекта, определенным по СРНС, в период времени, когда это возможно при условии радиовидимости достаточного для полноценных навигационных определений числа НКА, рассчитываются расстояния от ВС до каждой станции ИФРНС в цепочке, по которой ведется работа. Далее определяются поправки к ПД, полученным по ИФРНС:

А г = тСР11С - хИФРНС, (4)

где гИФГ1,с и гаж - соответственно, измеренные (индекс "ИФРНС') и вычисленные (индекс "СРНС') значения радионавигационных параметров. Вычисленные значения тсгнс получаются на основе точных определений координат ВС с помощью СРНС и координат наземных станций ИФРНС.

На рис. 3 показана блок-схема данного алгоритма коррекции.

Поправки рассчитываются по формуле (4) каждый раз заново с поступлением новых координат ВС измеренных по СРНС и используются для коррекции ПД, поступающих от ИФРНС. Далее по скорректированным ПД осуществляется расчет местоположения ВС.

Расчетные ПД от ИФРНС

Рис. 3. Блок-схема квазидальномерного алгоритма коррекции ИФРНС

На рис. 4 показаны результаты оценки погрешности Дх определения координат по сигналам ИФРНС и указаны посчитанные по результатам измерений смещение оценки т и СКО а.

После коррекции канала ИФРНС по информации от АП СРНС (рис. 5) систематическая погрешность существенно уменьшается.

Рис. 4. Результаты измерений без коррекции по СРНС т = 67 м, а- 7 м

Для оценки эффективности квазидальномерного алгоритма коррекции ИФРНС был произведен анализ экспериментальных данных навигационных определений в совмещенной аппаратуре СРНС и ИФРНС. Как видно из результатов испытаний при комплексировании АП СРНС и ИФРНС существует возможность коррекции систематической ошибки ИФРНС за счет использования данных от СРНС. При этом в случае пропадания сигнала от СРНС из-за затене-

ний, плохой геометрии видимых НКА, перерывов в слежение, многолучевости работа может вестись по скорректированным данным от ИФРНС. Величина времени в течение, которого данная поправка будет действительна, зависит от скорости движения объекта и от изменения характеристик подстилающей поверхности.

-,-,-,-,---

45 40

X

Рис. 5. Результаты измерений с коррекции по СРНС т= 12.5 м, о = 7 м

Заключение

Диссертация содержит новое решение актуальной научной задачи - разработка методов повышения точности навигационных определений с применением алгоритма обработки сигналов СРНС, в котором используется обратная связь по решению навигационной задачи как при автономной работе АЛ СРНС, так и при ее комплексировании с ИНС и ИФРНС.

В результате проведенных исследований получены следующие основные научные результаты:

1. Разработан программно-математический комплекс, позволяющий проводить оценку зависимости геометрического фактора от числа НКА в рабочем созвездии и режима работы АП СРНС как методами математического моделирования, так и с использованием орбитальных параметров существующих группировок НКА СРНС ГЛОНАСС и GPS.

2. Предложен алгоритм расчета навигационных параметров ВС, при котором сигналы управления в контурах слежения за сигналами НКА связаны друг с другом через решение НЗ.

3. Разработан прикладной программный комплекс, позволяющий оценить точность навигационных определений по сигналам СРНС с использованием алгоритма слежения за сигналами НКА по результатам решения навигационной задачи.

4. На базе существующих АП СРНС и ИНС предложена схема комплек-сирования, при котором слежение за сигналами НКА в рабочем созвездии является взаимосвязанным и определяется по результатам решения НЗ.

5. На основе анализа экспериментальных данных, полученных от приемника ИФРНС, установленного на неподвижном и подвижном объектах, получена пространственно-временная изменчивость ошибки, связанной с дополнительным набегом фазы сигналов ИФРНС.

6. Предложен неитерационный алгоритм определения местоположения ВС при работе по сигналам ИФРНС, позволяющий осуществлять навигационные определения при работе на границе рабочей зоны, когда итерационный алгоритм не работоспособен из-за неблагоприятного расположения опорных станций.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. В случае применения алгоритма слежения за сигналами НКА по результатам решения НЗ вероятность потери сигналов НКА при затенении приемной антенны или при высокой маневренности ВС по одному или нескольким каналам, нарушающей правильную работу АП СРНС, заметно снижается. Тем самым применение этого алгоритма повышает помехоустойчивость приемника, как это следует из результатов моделирования, на 7-10 дБ.

2. Комплектование АП СРНС и ИНС с применением обратной связи по решению НЗ позволяет уменьшить вероятность ложных захватов и срывов слежения за параметрами сигналов НКА в рабочем созвездии, а так же сократить времени поиска сигналов СРНС и вхождения в режим слежения. Уменьшение времени поиска сигналов НКА влечет за собой уменьшение времени выхода в первый отчет, что особенно актуально для возобновления навигации на высокодинамичных ВС при кратковременной потере сигнала от НКА, а так же при решении задач с ограниченным временем готовности, в частности при посадке ВС при смене рабочего созвездия.

3. Дальномерный режим работы АП СРНС позволяет получить значительный выигрыш в точности определения координат ВС, в частности высоты, что позволит при комплексировании с автономными средствами навигации осуществлять решение задач навигации и категорированной посадки ВС. Однако применение данного режима требует наличия высокостабильного опорного генератора.

4. При использовании разностно-дальномерного режима работы АП СРНС для каждого НКА в рабочем созвездии определяется свое значение временного сдвига между шкалой времени АП СРНС и шкалой времени СРНС как разность измеренной и рассчитанной ПД. Усреднив эти значения можно получить сглаживание случайных погрешностей, обусловленных шумами и инструментальными ошибками СРНС и тем самым повысить точность временной синхронизации в АП СРНС.

5. Преимуществами применение неитерационного алгоритма в радионавигационных системах с наземным базированием опорных станций по сравнению с итерационным являются:

- меньшее время расчета из-за отсутствия итераций,

- отсутствие обязательного ввода приближенных начальных данные для

начала итерационного процесса,

- отсутствие проблемы сходимости алгоритма даже при плохом геометрическом факторе, например при работе на границе рабочей зоны.

6. Флуктуации дополнительного набега фазы сигналов ИФРНС обладают высокой пространственной изменчивостью, и эффективное использование ква-зидальномерного режима коррекции ИФРНС на динамичном ВС возможно лишь при вводе поправок с периодичностью порядка нескольких минут.

7. Как видно из анализа экспериментальных данных, при комплексирова-нии АП СРНС и ИФРНС существует возможность коррекции систематической ошибки ИФРНС за счет использования данных измерений от СРНС. При этом в случае пропадания сигнала от СРНС из-за затенений, плохой геометрии видимых НКА, перерывов в слежении, многолучевости работа может вестись по скорректированным данным от ИФРНС. Величина времени в течение, которого данная поправка будет действительна, зависит от скорости движения ВС и от изменения характеристик подстилающей поверхности.

Основные публикации по теме диссертации В изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования материалов диссертаций:

1. Пичугин С.М. Оценка погрешности местоположения воздушного судна в СРНС в зависимости от числа оцениваемых параметров. Научный вестник МГТУ ГА, № 136,2008 г, с. 101-105.

2. Пичугин С.М., Трошин П.В. Повышение точности определения навигационных параметров импульсно-фазовой радионавигационной системы за счет использования данных от СРНС. Научный вестник МГТУ ГА, № 152, 2010,. с. 125-129.

3. Пичугин С. М. Анализ точностных характеристик алгоритма совместной обработки радионавигационных параметров в СРНС. Научный вестник МГТУ ГА, № 158,2010 г, с. 86-90.

В прочих изданиях:

4. Пичугин С. М., Трошин П. В., Душистов Е. А. Результаты применения коррекции ИФРНС по сигналам СРНС квазидальномерным методом в интегрированном авиационном приемоиндикаторе ГЛОНАСС/ОР8/Чайка/Лоран-С. Новости навигации, №2 2010, Москва, с. 33-35.

5. Пичугин С. М., Душистов Е. А. Исследование алгоритмов комплексной обработки данных спутниковой радионавигационной и инерциальной навигационной систем. МНТК «Гражданская авиация на современном этапе

развития науки, техники и общества». Тезисы докладов МНТК. - МГТУ ГА,

2008 г, с. 160.

6. Пичугин С. М. О зависимости точностных характеристик аппаратуры потребителя спутниковых радионавигационных систем (СРНС) от числа оцениваемых параметров. «Пятнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов». Тезисы докладов. Том 1 - МЭИ (ТУ),

2009 г, с. 374-375.

7. Пичугин С. М., Трошин П. В. Совместное использование импульсно-фазовых и спутниковых радионавигационных систем. «Четвертая отраслевая научная конференция-форум «Технологии информационного общества». Журнал Т-Сотш. Спецвыпуск по итогам 4-й отраслевой научной конференции «Технологии информационного общества» №9. Тезисы докладов. - МТУСИ,

2010 г, с. 118-121.

8. Пичугин С. М. Повышение помехоустойчивости навигационных определений по сигналам спутниковых радионавигационных систем (СРНС) с использованием векторной обработки. «Семнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов». Тезисы докладов. Том 1 -МЭИ (ТУ), 2011 г, с. 146.

Соискатель

Пичугин С.М.

Печать офсетная 1.04 усл.печ.л.

Подписано в печать15.03.11 г Формат 60x84/16 Заказ № 1235/

1,02 уч.-изд. л. Тираж 80 экз.

Московский государственный технический университет Г4 125993 Москва. Кронштадтский бульвар, д. 20 Редащиото-юдателъскии отдел 125493 Москва, ул. Пулковская, д.ба

© Московский государственный технический университет ГА, 2011