автореферат диссертации по транспорту, 05.22.13, диссертация на тему:Навигационное обеспечение поисково-спасательных работ в местности со сложным рельефом на базе спутниковых и автономных средств навигации

На правах рукописи

КОВЕРЗНЕВ ЕВГЕНИЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

НАВИГАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОИСКОВО-СПАСАТЕЛЬНЫХ РАБОТ В МЕСТНОСТИ СО СЛОЖНЫМ РЕЛЬЕФОМ НА БАЗЕ СПУТНИКОВЫХ И АВТОНОМНЫХ СРЕДСТВ НАВИГАЦИИ

Специальность 05.22.13 - Навигация и управление воздушным движением

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2006

003068090

Диссертационная работа выполнена в Московском государственном техническом университете гражданской авиации.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Рубцов Виталий Дмитриевич Официальные оппоненты: доктор технических наук

Зайцев Алексей Николаевич

кандидат технических наук, доцент Хачикян Владимир Александрович

Ведущая организация: Государственный научно-исследовательский

институт "Аэронавигация"

Защита состоится « // » ¡^///¿¿"б/?-/ 200^г. 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.

б згесссг, ¡г/а

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке МГТУГА.

Автореферат разослан «_»_ 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

С.К. Камзолов

441(2 Рое)

. с?

V

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В соответствии с федеральными авиационными правилами поиска и спасения в государственной авиации авиационный поиск и спасение организуются Федеральным управлением авиационно-космического поиска и спасения при Министерстве обороны Российской Федерации (ФПСУ). Авиационный поиск и спасение рассматривается как составная часть аэронавигационного обслуживания, заключающаяся в оказании своевременной помощи пассажирам и экипажам воздушных судов (ВС) при возникновении аварийных ситуаций.

Радиотехнический поиск - основной вид поиска. Международным комитетом по радио и связи для радиотехнических средств поиска и спасения были выделены частоты и разработаны правила пользования ими. В соответствии с рекомендациями Международной организации гражданской авиации (ИКАО) с 2005 года все воздушные суда, подпадающие под действие Конвенции ИКАО (приложение 6), должны иметь на борту совместимый с системой Коспас-Сарсат аварийный радиомаяк (АРМ), работающий на частоте 406 МГц. В связи с участившимися катастрофами вертолетов и региональных самолетов Министерством транспорта Российской Федерации в августе 2004 года было принято решение об оснащении всех типов воздушных судов аварийными радиомаяками Коспас-Сарсат.

Коспас-Сарсат - это глобальная спутниковая система, предоставляющая информацию о терпящем бедствии и его местоположении для содействия поисково-спасательным операциям, использующая оборудование космических аппаратов и наземного сегмента для детектирования и определения местоположения аварийных радиобуев, работающих на частотах 406 МГц и 121,5/243 МГц. Основная задача системы - оказание поддержки всем организациям в мире, ответственным за поисково-спасательные операции, как на море, так и на суше и в воздухе.

Радиомаяки, работающие на частоте 121,5/243 МГц, доступны по цене, но используемая в них технология, которая не может быть улучшена достаточно простым способом, является причиной большого числа аварийных ложных срабатываний (более 98% срабатываний АРМ на частоте 121,5/243 МГц - ложные). Данная ситуация снижает эффективность поисково-спасательных операций и увеличивает нагрузку на спасательно-координационные центры. Комиссия Коспас-Сарсат инициировала с 2000 года план о полном прекращении работы системы Коспас-Сарсат на частотах 121,5 и 243 МГц с 2009 года.

АРМ, работающие на частоте 406 МГц (АРМ 406), появились сравнительно недавно. Существующий парк ВС гражданской авиации нашей страны на 80 % оборудован маяками, работающими на частоте 121,5 МГц (аварийно-спасательная радиостанция Р855 и её модификации). Для большинства авиаперевозчиков, работающих на местных авиалиниях, оборудование ВС АРМ 406 является достаточно дорогостоящим. Стоимость одного радиомаяка составляет $4500, а комплекта - вдвое дороже. Стоимость установки оборудования на ВС определяется стоимостью разработки конструкторской документации. Необходимо отметить, что система имеет низкую вероятность обнаружения объекта, терпящего бедствие, в условиях местности со сложным рельефом, на которую приходится наибольшее число аварий малой авиации, что обусловлено следующими обстоятельствами:

• в условиях многолучевого распространения сигнала становится актуальной проблема надежности связи;

• в условиях ограниченного времени нахождения в зоне видимости объекта, терпящего бедствие, спутников низкоорбитальной группировки системы Кос-пас-Сарсат и воздействия многолучевости уменьшается вероятность определения местоположения объекта доплеровским методом;

• возникает проблема затенения рельефом местности спутников геостационарного сегмента системы Коспас-Сарсат;

• модели маяков, использующие протокол с координатами, не всегда могут получить достоверный отсчет местоположения с использованием средств на основе глобальной навигационной спутниковой системы (СРНС) ОР8/ГЛОНАСС из-за плохого геометрического расположения навигационных спутников относительно АРМ, а также из-за недостаточного уровня принимаемого сигнала.

Кроме того, для АРМ 406 уровень ложных срабатываний остается довольно высоким: лишь одно из примерно 17 аварийных сообщений является действительным. Это увеличивает нагрузку на спасательно-координационные центры.

В настоящей работе рассматриваются вопросы создания локальной системы, позволяющей повысить эффективность поисково-спасательных работ в условиях местности со сложным рельефом.

Из изложенного можно сделать вывод об актуальности проведения исследований по теме диссертации.

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является разработка рекомендаций по созданию локальной системы поиска и спасения с минимально необходимым количеством оборудования, обеспечивающей высокую вероятность обнаружения объекта, терпящего бедствие, в условиях местности со сложным рельефом.

Для достижения поставленной цели было необходимо решение следующих основных задач:

• анализ работы существующих радиотехнических систем поиска и спасения в условиях местности со сложным рельефом;

• анализ возможности проведения навигационных определений с использованием приемоиндикатора (ПИ) ОРБ/ГЛОНАСС для решения задач поиска и спасения;

• выбор и обоснование структуры передаваемого сигнала, позволяющей повысить надежность канала связи в условиях многолучевого распространения сигнала и влияния других мешающих воздействий;

• анализ и обоснование состава средств навигации, позволяющего повысить вероятность определения местоположения объекта, терпящего бедствие, в условиях местности со сложным рельефом.

Методы исследований. При решении перечисленных задач были использованы прикладные методы теории вероятности и случайных процессов, аппарат линейной алгебры, методы теории оптимального оценивания, а также методы математического моделирования.

Научная новизна работы. Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней впервые произведен системный анализ существующих радиотехнических систем поиска и спасения в условиях местности со сложным рельефом и предложены пути повышения эффективности поисково-спасательных работ с использованием спутниковых и автономных средств навигации.

В диссертации получены следующие основные результаты:

• произведен системный анализ функционирования радиотехнических систем

поиска и спасения в условиях местности со сложным рельефом;

• разработаны принципы построения локальной системы поиска и спасения с применением автономных и спутниковых средств навигации.

• разработаны рекомендации по способам повышения надежности передачи навигационной информации в предлагаемой системе в условиях различных возмущающих воздействий, включая переотражения от подстилающей поверхности;

• произведена оценка влияния эффекта многолучевости на точностные характеристики амплитудных и фазовых радиокомпасов.

• дана оценка влияния систематической ошибки определения курсового угла АРМ радиокомпасом на время привода поисково-спасательного ВС к месту нахождения объекта, терпящего бедствие.

На защиту выносятся:

• результаты анализа влияния возмущающих факторов на вероятность решения задачи поиска и спасения в условиях интенсивных, мешающих воздействий и местности со сложным рельефом с использованием существующих радиотехнических средств поиска и спасения;

• принципы построения локальной системы поиска и спасения с использованием средств СЛ^/Т'ЛОНАСС и автономных средств навигации.

Практическая значимость работы состоит в том, что полученные результаты могут быть использованы для создания локальной системы поиска и спасения, поскольку позволяют:

• повысить вероятность обнаружения объектов, терпящих бедствие, в условиях местности со сложным рельефом, за счет использования помехоустойчивого канала передачи данных и приемника, когерентно собирающего энергию компонент многолучевого сигнала;

• снизить стоимость системы и повысить надежность её работы за счет минимизации состава оборудования;

• повысить скрытность работы системы поиска и спасания за счет передачи сигнала очень низким уровнем мощности;

• повысить вероятность обнаружения объекта, терпящего бедствие, за счет использования автономных средств навигации.

Внедрение результатов. Основные результаты внедрены в Московском конструкторском бюро «КОМПАС» и в МГТУ ГА, что подтверждено соответствующими актами.

Апробация результатов. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научно-практической конференции Третьего Сибирского Международного авиационно-космического салона (2004 год, г. Красноярск), на международной научно-технической конференции "Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества" (май 2006 года, МГТУ ГА).

Публикация результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в 4-х статьях и 3-х тезисах докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка используемых источников. Диссертация содержит 100 страниц текста, 40 рисунков, 7 таблиц и библиографию из 36 наименований.

Содержание работы В первой главе диссертационной работы анализируется возможность решения задачи определения местоположения объекта, терпящего бедствие, с использованием средств системы Коспас-Сарсат в условиях местности со сложным рельефом.

В гражданской авиации нашей страны для поиска и спасения, терпящих бедствие используются 2 радиотехнические системы: глобальная спутниковая система поиска и спасения Коспас-Сарсат работающая по сигналам АРМ на частотах 406, 121,5 и 243 МГц и локальная система, осуществляющая привод ВС в район катастрофы с использованием автоматического радиокомпаса (АРК УД) по сигналам АРМ 121,5 МГц. Локальная система создавалась в середине прошлого века морально и технически устарела. Министерством транспорта Российской Федерации в августе 2004 года было принято решение об оснащении всех типов воздушных судов АРМ 406. Поэтому в диссертации производится анализ работы только системы Коспас-Сарсат при использовании АРМ 406.

Для оценки влияния рельефа местности на работу системы был разработан математический программный комплекс (МПК) в среде прикладного научно - технического программирования MATLAB. Комплекс позволяет оценить вероятность определения координат терпящего бедствие с использованием собственных средств системы Коспас-Сарсат (доплеровских измерений), дополнительного навигационного устройства, работающего по сигналам спутниковых радионавигационных систем GPS.TJIOHACC, а также возможность передачи полученных от навигационного устройства координат через искусственные спутники земли. (ИСЗ) геостационарной и низкоорбиталыюй группировок системы Коспас-Сарсат в течение заданного интервала времени (24 часа).

В качестве модели ущелья при работе в горной местности был взят круговой прямой конус, описывающий периметр ущелья. Условие нахождения ИСЗ в зоне видимости АРМ (рис.1), определяются выражением

ODjdB]<ODjXi,a, (1)

где Х'исз - [х, у, г] координаты спутников систем GPS/TJIOHACC и Коспас-Сарсат;

ODj-X>lc3 = (x0-xDj)(x0-xMC3) + (y0-yDj)(y0-yHC3) + (z0-zDj)(z0-zMC3)

, ODj ■OBj = RJop -Rip J-скалярные произведения; 0 = [x0,y0,zg]- координа-

ты центра Земли; j - номер созвездия ИСЗ;

Pj=a/ 2- у j -угол зоны видимости АРМ относительно центра Земли; а - угол раскрыва ущелья.

Рис.1. Графическое представление зоны видимости АРМ

и (угон раскр ыва ущелья) = 50°

150 500 1000 5000

Ошибка опредепения местоположения (и)

Рис,2. Рис.2. Тпчность определения координат нрнсмоинднкаторноч С Г'ПС (HDOP<25)

Сначала производится анализ вероятности получения координат объекта, терпящего бедствие, при использовании в строенного в АРМ ПИ GPS/TJIOHACC. Применение данного типа радиомаяков позволяет определять местоположение объекта, терпящего бедствие, с точностью до 150 метров (2сг ). Основными факторами, влияющими на точность и возможность решения навигационной задачи 013), являют ся доступность и достоверность измерений в условиях ограниченной зоны видимости, В АРМ 406 полученный отсчет местоположения передается н виде значений широты и долготы. В данных условиях достаточно решить двумерную ПЗ, ш есть измерения считаем доступными при наличии 3 спутников. Из-за отсутствия избыточного количества навигационных космических аппаратов (НКА) функция автономного контроля целостности RAJM недоступна. Поэтому н качестве критерия достоверности полученных измерений в модели использовался геометрический фактор для навигационных определений в горизонтальной плоскости,

HDOP^i+o;,]'2/<тдш1, (2)

где csx.oy - средяеквадратичеекиепогрешности измерения координат;

адил ' среднеквадрэтическая погрешность определения псевдодальностей.

Произведенный анализ показал, что при значении HDOP<25 ошибка определения местоположения е вероятностью 0.95 не превышает значение 5 км, получаемое при использовании доил еров с кого чего да определения координат в системе Коспас-Сарсат (рис.2).

Вероятность получения ПИ CP) 1С достоверного отсчета при фиксированном значении угла раскрывЗ ущелья а определяете и выражением:

= - р.

N

Р'

(3)

где Рр = — вероятность нахождения в зоне видимости АРМ грех и более f 1КА;

t - время, в течение которого в зоне видимости Ai'M находится три и более НКА; "Г -период анализа; N - количество попыток решения ИЗ (НКА>3); п - количество решений ИЗ (HKA>3&HDOP<25).

На рис.3 показаны зависимости вероятности решения ПЗ от угла раскрыва ущелья при проверке достоверности полученных измерений p^'JOP<2i н без не?Рр.

Из [рафика видно, что неудачное расположения НКА рабочего созвездия И ! !И СРНС ухудшает достоверность определения координат на 10-45 %. С учетом того, что последний (угечет местоположения согласно документам системы Коспас-Сарсат пере-

Р(а)

0,9 0,8 0,7

0,5 0,4 0.3

0,1

1

рр- ГУ А р / /Л-"^' )Р<25

/1 ■■

\ \ —

20 30

50 60 70 а (град)

Рис.3. Вероятность решения навигационной задачи

90

дается в течение 4 часов, можно сделать вывод о том, что встроенный в АРМ ПИ СРНС позволяет с высокой вероятностью определить координаты объекта терпящего бедствие с точностью до 5 км (2а), при условии, что объект, терпящий бедствие, имеет ограниченное перемещение.

В данных условиях основной задачей становится передача полученных координат от встроенного ПИ СРНС через ИСЗ низкоорбитальной (НГ) и геостационарной группировки (ГТ) системы Коспас-Сарсат на станции приема и обработки информации (СПОИ). Сообщение передается в виде радиоимпульсов длительностью 0,5 с и периодом 50 с. Основной причиной не передачи сообщения через геостационарный сегмент системы на СПОИ является затенение ИСЗ препятствиями, находящимися на пути распространения сига ала.

На рис.4 показан минимальный угол раскрыва ущелья а для различных значений широты В при котором геостационарный сегмент Коспас-Сарсат доступен на территории нашей страны для трех разных значений долготы. При а < 90° ИСЗ ГГ системы Коспас-Сарсат недоступны.

Сообщение также передается через ИСЗ НГ. АРМ может включиться в случайный момент времени в интервале от 0 до 50 с. Для получения наиболее полной картины возможности передачи сообщения допустим, что момент включения маяка имеет равномерный закон распределения.

Вероятность передачи сообщения через ИСЗ НГ определяется выражением

р 1щт (4)

N

'ил

где пктт - количество сообщений переданных через ИСЗ НГ, Л',,,, - количество сообщений излученных АРМ в течение интервала моделирования.

180 160 140 120 100

а (град)

1 : 2Г

160 .... . J. —¡-—

■ •

.-О 44 в.д. ; :

' :/ ; ;

100°в.д.

; ; : :

; ; ;

; 1

50

90

60 70 Широта (град) Рис.4. Наблюдаемость геостационарных ИСЗ

На рис.5 приведены графики зависимости вероятности передачи сообщения через ИСЗ НГ Рс от угла раскрыва ущелья а для трех различных мест расположения радиомаяка на территории нашей страны. Анализ графиков показывает, что при а < 90° вероятность передачи сообщения через ИСЗНГ Рс< 2%.

Не все модели радиомаяков имеют в своем составе ПИ СРНС. Основным способом определения местоположения в системе Кос-пас-Сарсат является доплеровский метод. Для получения координат данным способом используются только ИСЗ НГ. Необходимым условие для определения местоположения доплеровским методом является получение минимум 3 сообщений подряд через один и тот же спутник. Таким образом, вероятность определения коордииат доплеровским методом определяется выражением 18

100 120 а (град)

Рис.5. Вероятность передачи аварийного сообщения через ИСЗ низкоорбитальной группировки

^допл

3=3

18

1*0"

3=1

Р

1 конт,

(5)

0,14 0,12 0.1 0,03

р

допя 0,06

0,04

0,02 0

где А'* - число событий, когда через один и тот же ИСЗ НГ непрерывно было

передано ] сообщений подряд в

! ', <

''сш.ЮО'вд.ЗОСОм! 7

ш,160°вд, 2СС0и].....

л«

! \ \ ВД,20 . 00м]

40

<50

120

80 100 а (град)

Рис.б. Вероятность определения местоположения объекта, терпящего бедствие, доплеровским методом

140

течение заданного интервала времени.

На рис.6 приведены графики зависимости вероятность определения координат доплеровским методом Рдопя от угла раскрыва ущелья а для трех различных мест расположения радиомаяка на территории нашей страны. Анализ графиков показывает, что при угле раскрыва ущелья

а < 90° система Коспас-Сарсат обеспечивает низкую вероятность обнаружения объекта, терпящего бедствие доплеровским методом.

Описанный выше МПК производит оценку вероятности определения местоположения

0,8 0,7 0.6 0,5 0.4

Р 0,3

0,2

однолучевьи

.многолучевым канал.

10

25

35

ЕЬ™о №

Рис.7. Вероятность не прохождения аварийного сообшения на станцию приема и обработки информации

объекта, терпящего бедствие, без учета условий распространения сигнала (все принятые сообщения не содержат ошибок). В условиях местности со сложным рельефом в значительной мере возрастает влияние многолучевоеги на надежность связи. В данной главе также дана оценка надежности канала передачи данных системы Коспас-Сарсат в условиях многолучевого распространения сигнала.

В АРМ 406 для передачи сообщения используется бинарная фазовая манипуляция на ±1.1 радиана относительно немодулиро-ванной несущей. Скорость передачи данных составляет 400 бит/с. Вероятность битовой ошибки Ра = 10~5. Сообщение имеет 2 по-

ля, защищенных кодами с исправлением ошибок, которые позволяют исправлять 3 и 2 ошибки, соответственно.

При передаче сообщения через геостационарный сегмент системы картина многолучевости не изменяется. В случае передачи сообщения ИСЗ НГ имеют место быстрые замираниями сигнала. Существующие алгоритмы адаптивной обработки сигналов эффективны при медленных замираниях сигналов. Методом математического моделирования произведена оценка вероятности того, что сообщение АРМ, переданное через ИСЗ НГ, не будет обработано СПОИ. В качестве закона распределения многолучевых компонент сигнала на входе приемника используется райсова функция плотности распределения вероятности. Задержка распространения Tj(t) и множитель

ослабления aj(t) компонент многолучевого сигнала изменяются в диапазоне

0 + 0,4-10~6с и 0,01 +1, соответственно. Как показывает практика, число компонент с заданным уровнем, приходящих на вход приемника, составляет 5. Таким образом, принимаемый сигнал можно выразить в виде s

r(t) = I aj(t)s(t - Tj(t)) + n(t), (6)

H

где n(l) - белый шум.

Приемник, используемый в модели, реализует алгоритм принятия решения по критерию максимума правдоподобия.

Согласно документам Коспас-Сарсат, сообщение считается не принятым, если в 1 поле более 3 ошибок. Таким образом, вероятность не прохождения сообщения на

СПОИ Р°ш определяется, как отношение числа ошибочно принятых сообщений п к общему числу переданных сообщений N (рис.7):

рОШ _

(7)

Анализ графиков, представленных на рис.4-7 показывает, что для решения задач поиска и спасения в условиях местности со сложным рельефом требуется использование дополнительных средств, позволяющих увеличить вероятность обнаружения объектов, терпящих бедствие.

Во второй главе рассматриваются вопросы построения локальной системе поиска и спасения. Производится анализ влияния различных мешающих воздействий на канал передачи данных, а также способов повышения достоверности передачи навигационной информации.

Система состоит из оборудования, размещаемого на борту поисково-спасательного (ПС) ВС и оборудования пользователей (АРМ). Проведенный в первой главе анализ показал высокую эффективность использования встроенного в АРМ ПИ ОР8/ГЛОНАСС. Поэтому в данной системе основным способом определения местоположения объекта, терпящего бедствие, является применение спутниковых средств навигации, установленных как на борту ПС ВС, так и в АРМ. Координаты, полученные встроенным в АРМ ПИ, передаются посредством сообщения соответствующего длинному формату сообщения, используемого в системе Коспас-Сарсат. В качестве колебания несущей частоты предлагается использовать частоту 243 МГц (комиссия Коспас-Сарсат инициировала с 2000 года полное прекращение работы системы Кос-пас-Сарсат на частотах 121,5 и 243 МГц с 2009 года).

ле передачи данных при воздействии широ- 8 канале передачи данных при ис-кппплогнпй импульсной ппмми пользовании блочной и сверточной

схем кодирования

Одним из важных аспектов при выборе структуры и способа модуляции сигнала является высокая помехоустойчивость канала к воздействию многолучевости. К тому же АРМ относится к системам с ограниченной мощностью. Наиболее полно удовлетворяет данным требованиям канал передачи данных, использующий сигналы с прямым расширением спектра и дифференциальной фазовой манипуляцией (ОР8К).

Для увеличения вероятности приема информации ПС ВС от АРМ в условиях затенения рельефом местности АРМ должен передаваться сообщение как можно чаще. Поэтому предложена непрерывная передача данных со скоростью /?=1000 бит/с и вероятностью битовой ошибки Рв = 1(Г3.

В разрабатываемой системе в качестве расширяющей последовательности используется псевдослучайная последовательность (ПСП), применяемая при формировании сигналов НКА GPS нового поколения с периодом повторения 1 мс. Данная последовательность состоит из 10230 элементарных символов. Коэффициент расширения спектра сигнала определяется выражением

Gp=Wss/R = ¡0,230-106/1000 = 10230, (8)

где Wss - ширина полосы расширенного спектра.

При данном коэффициенте расширения спектра канал передачи данных продолжает работу без увеличения Рд при наличии на входе приемника широкополосной помехи превышающей уровень мощности полезного сигнала на 20 дБ, а также при наличии узкополосной помехи с коэффициентом перекрытия спектра 0,1 и превышением уровня мощности полезного сигнала на 35 дБ. Однако существует мешающий сигнал, который имеет весьма существенное влияние на качество широкополосных систем. Такой мешающий сигнал состоит из импульсов с равномерным частотным спектром, который покрывает полностью полосу частот сигнала Wss. Их обычно называют импульсной интерференцией или парциально-временным мешающим сигналом. Предположим, что мешающий сигнал имеет среднюю мощность J в полосе частот сигнала Wa. Тогда J0 = Jcp / ( спектральная плотность мощности помехи в полосе 1 Гц). Допустим, что вместо непрерывной передачи источник мешающего сигнала передаёт импульсы повышенной мощности J/а за долю времени а, то есть вероятность того, что источник мешающего сигнала создаёт в данный момент времени помеху, равна а. Вероятность битовой ошибки для системы DPSK без канального кодирования с учетом выше сказанного будет иметь следующий вид

[щ'

PB=(l-a)2Q

+ a2Q

2ЕЬ N„+JJa

1-в

2Eb N„+JJa

,(9)

где а- часть времени, в течение которого действует помеха; Еь - энергия бита; Ы0 - спектральная плотность мощности шума в полосе 1 Гц.

0(х) -гауссов интеграл ошибок, определяемый следующим образом: 1

-Лы

fexp

2 J

На рис.8 показаны зависимости вероятности битовой ошибки от отношения Еь 7 У0 для различных значений а. Из графиков видно, что чем меньше длительность помехи, тем большое воздействие она оказывает на канал. В качестве уменьшения влияния данного рода помех в канале предлагается использовать коды с исправлением ошибок и перемежение.

На рис.9 показана зависимость вероятности ошибки в канале передачи данных от Еь / М0 при использовании длинного формата сообщения Коспас-Сарсат (закодировано с использованием блочных кодов БЧХ) и того же самого сообщения, закодированного с использованием сверточной схемы кодирования с длинной кодового ог-

раничения К = 7 и степенью кодирования к/п = 1/2 при условии, что сообщение принято полностью. Использование свер-точной схемы кодирования при одинаковой вероятности битовой ошибки в канале (Рв = 10~5) дает выигрыш в соотношении Eb/Ng порядка 2 дБ. При этом сообщение, используемое в системе Коспас-Сарсат, имеет меньшую длину (144 бита) по сравнению с сообщением, использующем сверточную схему кодирования (200 бит). Так как АРМ относится к системам с ограниченной мощность, то целесообразнее использовать свер-точ1гую схему кодирования сообщения.

Далее в работе методом математического моделирования произведена оценка исправляющих свойств выбранной схемы кодирования при появлении пакетных ошибок в передаваемом сообщении с использованием перемежения и без него. Пере-межение осуществляется путем умножения закодированного сообщения на матрицу случайных чисел А[200 х 200] (блочное чередование). Моделирование пакета ошибок осуществляется путем инвертирования N бит сообщения.

На рис.10 представлены результаты моделирования. Непрерывная линия показывает вероятность битовой ошибки в канале передачи данных со сверточной схемой кодирования без перемежения. Прерывистая линия - при использовании сверточной схемой кодирования и перемежения. Как видно (рис.10), использование чередования в значительной мере улучшает исправляющие свойства кода при появлении пакетных ошибок.

Для увеличения устойчивости работы системы в условиях многолучевого распространения сигнала на борту ПС ВС используется приемник, позволяющий когерентно собирать энергию переотраженных компонент (RAKE-приемник). Методом математического моделирования произведена оценка вероятности ошибки в канале передачи данных в условиях наличия замираний сигнала. В качестве закона распределения компонент сигнала, приходящих на вход приемника, применена релеевская функция плотности распределения вероятности. Переменный во времени частотно-

Рис.10. Вероятность битовой ошибки в канале передачи данных с использованием кодирования -перемежения и с использованием кодирования без перемежения в случае появления пакета из N ошибок

селективный сигнал представлен в виде линии задержки с отводами, задержка между которыми равна 1 /№„, и с взвешивающими коэффициентами сп(/)

r(t) = — Y,cJt)sJt-n/Wa) + n(t),

W

где n(t)-белый шум.

-5 0 5 10 15 20

Е /И (дБ) ь 0

Рис.11. Вероятность битовой ошибки в канале передачи данных при многолучевом распространении сигнала

(10)

Используемый в модели ЯАКЕ-приемник разрешает и разделяет многолучевые компоненты сигнала расширенного спектра по пяти направлениям при условии, что разница во времени распространения между отдельными лучами больше длительности элемента ПСП. Использование ЛАКЕ-приемника уменьшает вероятность битовой ошибки Рв в канале передачи данных (рис.11), тем самым, повышая вероятность прохождения аварийного сообщения на борт ПС ВС.

В соответствии с федеральными авиационными правилами поиска и спасения в авиации выход в район бедствия с использованием радиотехнических средств

выполняется в диапазоне высот: для самолетов - 6000-8100 м, для вертолетов - 6001200 м. Дальность прямой видимости при максимальной высоте полета ПС ВС И, =8100 м равна

0 = 4.12(^к, + = 376,6км, (11)

где Ь2(м) = 1м - высота расположения антенны АРМ.

С учетом всех вышеперечисленных схемотехнических решений для обеспечения заданной дальности действия системы мощность излучаемого АРМ сигнала составляет 52мвт.

В третьей главе производится анализ работы фазовых и амплитудных автоматических радиокомпасов (АРК) в условиях многолучевого канала распространения сигнала. По результатам анализа производится выбор схемного решения для АРК. Также производится оценка влияния систематической погрешности определения курсового угла АРМ с использованием АРК на время вывода ПС ВС в район авиакатастрофы.

При плохой геометрии взаимного расположения ПИ ОРЯ/ГЛОПАСС и НКА рабочего созвездия точность определения местоположения объекта, терпящего бедствие, согласно выбранному в 1 главе критерию достигает значения 5 км. Данный уровень точности не позволяет быстро обнаружить объект в условиях местности со сложным рельефом. Поэтому для вывода ПС ВС в район катастрофы на конечном этапе

полета и для автономного привода в случае выхода из строя ПИ СРНС в разрабатываемой системе предлагается использование АРК в режиме привода.

Методом математического моделирования произведена оценка точности определения курсового угла в АРМ при использовании амплитудного и фазового АРК в условиях наличия многолучевости. В качестве антенной системы взяты две пары четвертьволновых вибраторов с базой 2Ь = А/2. У амплитудного АРК дополнительно установлена пятая ненаправленная антенна для разрешения неоднозначности отсчета курсовых углов.

Фазовый АРК- 4 канальный. В каждом канале предварительно производится снятие модуляции ПСП. Значение курсового угла определяется следующим выражением:

в =

/<Рз± \<Рп

(12)

где (р^ и <Р)4- разности фаз сигналов принимаемых 1,2 и 3,4 вибраторами, ответственно.

( кто

м-б?

<Рп = агс'8

1000

<р34 = агсЩ

,(13)

где ,<2* - квадратурные составляющие сигнала на выхо-

де соответствующего канала.

При вычислении разности фаз производится усреднение значений квадратурных составляющих на односекундном интервале, с последующим сдвигом начала отсчета (скользящее усреднение).

Амплитудный АРК - 3-х канальный. В двух каналах производится обработка разности сигналов 1,2 и 3,4 вибраторов, в третьем опорного сигнала. В каналах производится снятие модуляции ПСП. Значение курсового угла определяется выражением

' тоо \

в - агап2

2 г/;

1=1

V м

(14)

где

I'/ > <2'/ ■ I]4 ■ •1°. 0° " квадратурные составляющие сигнала на выходе

соответствующего канала.

В амплитудном АРК также используется алгоритм скользящего усреднения на интервале 1 с.

Мешающее воздействие на работу как амплитудного, так и фазового АРК будут оказывать переотраженные сигналы с задержкой распространения не превышающей длительности элемента ПСП (ОД рс) относительно прямого канала, поскольку они не подавляются в корреляторе. Такую задержку могут иметь компоненты отраженные как от подстилающей поверхности, так и от элементов конструкции ПС ВС.

Полученные результаты (рис.12) свидетельствуют, о том, что амплитудный АРК по сравнению с фазовыми реализует при прочих равных условиях меньшую или

в(град)

»(град)

Рис.12. Ошибка определения курсового угла АРМ а) фазовым АРК, б) амплитудным АРК

)1 (Ю

(град)

Рис.13. Зависимость времени привода поисково-спасательного ВС в район авиакатастрофы от значения систематической ошибки определения курсового угла АРМ АРК

равную ошибку определения курсового угла АРМ. Кроме того, амплитудный АРК имеет боле простую схемотехническую реализацию, что, в конечном счете, скажется на цене системы. Исходя из выше сказанного в предлагаемой локальной системе поиска и спасения в качестве автономного средства навигации целесообразнее использовать амплитудный АРК.

Наикратчайшим расстоянием между ПС ВС и объектом, терпящим бедствие является прямая. В случае наличия систематической погреш-

ности определения курсового угла траектория движения ПС ВС будет описываться логарифмической спиралью. Следовательно, время, затрачиваемое на привод ВС к месту аварии, увеличится. Введем параметр ц, позволяющий оценить во сколько раз увеличится время, затрачиваемое на привод ПС ВС к месту авиакатастрофы из-за наличия систематической ошибки определения курсового угла АРМ АРК вош . Показано, что зависимость // от вош определяется выражением:

со*(вош)

(15)

где г"р- время, затрачиваемое на привод ПС ВС при полете по прямой, ¡спр ■ время, затрачиваемое на привод ПС ВС при полете по логарифмической спирали.

Анализируя график функции /а{вош) (рис.13) можно увидеть, что увеличение значения вошяо 15° приводит к незначительному увеличению времени привода ПС ВС к месту катастрофы (3,5%).

Заключение

Диссертация направлена на решение актуальной научной задачи совершенствования методов и средств навигационного обеспечения систем поиска и спасения объектов, терпящих бедствие, в условиях местности со сложным рельефом с использованием спутниковых и автономных средств навигации.

Основные научные результаты работы состоят в следующем:

1. Получены расчетные соотношения, позволяющие оценить значение вероятность решения задач поиска и спасения средствами системы Коспас-Сарсат при использовании доплеровского метода определения местоположения объекта, терпящего бедствие, а также при получении координат от встроенного в АРМ прие-моиндикатора СРНС и передаче их через ИСЗ низкоорбитальной и геостационарной группировок.

2. Показано, что при многолучевом распространении сигнала в условиях местности со сложным рельефом происходит существенное ухудшение надежности связи в системе Коспас-Сарсат, что, в конечном счете, приводит к снижению вероятности решения задач поиска и спасения.

3. Предложена структура локальной системы поиска и спасания, использующая спутниковые и автономные средства навигации. Показано, что при использовании в канале передачи данных предлагаемой системы сигналов с расширенным спектром, сверточной схемы кодирования и перемежения позволяет достичь высокой устойчивости работы системы в условиях воздействия различного рода помех.

4. Показано, что в условиях местности со сложным рельефом использование приемника когерентно собирающего энергию многолучевых компонент сигнала расширенного спектра по пяти направлениям (ЯАКЕ-ириемник), позволяет существенно снизить вероятность появления ошибок в канале передачи данных при наличии глубоких замираниях сигнала.

5. В результате проведенного анализа точностей определения курсового угла АРМ при использовании амплитудного и фазового АРК в условиях многолучевого распространения сигнала показано, что погрешность определения углового положения объекта, терпящего бедствие, при использовании амплитудного АРК меньше или равна погрешности, имеющей место в фазовом АРК.

6. Показано, что время, затрачиваемое поисково-спасательным ВС на подлет к месту авиакатастрофы, обратно пропорционально косинусу систематической ошибки определения курсового угла АРМ АРК, причем наличие этой ошибки приводит к незначительному увеличению времени привода поисково-спасательного ВС к месту авиакатастрофы при работе АРК в режиме привода.

7. Разработан программно-математический комплекс в среде математического научно-технического программирования МАТЪАВ, позволяющий производить оценку влияния затенения рельефом местности и переотражений на качество функционирования системы Коспас-Сарсат и предлагаемой локальной системы поиска и спасания в условиях местности со сложным рельефом.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. Использование встроенного в АРМ приемоиндикатора СРНС позволяет определять местоположение объекта, терпящего бедствие, с высокой вероятность и точностью до 500 метров (сг) даже при углах раскрыва ущелья а = 50° при условии, что последнее полученное значение координат приемоиндикатором передается в течение последующих 4 часов, а перемещение объекта незначительное.

2. Геостационарный сегмент системы Коспас-Сарсат не обеспечивает передачу аварийных сообщений на станцию приема и обработки информации при углах раскрыва ущелья менее 90° на всей территории нашей страны, а низкоорбитальный сегмент при углах раскрыва ущелья менее 90° позволяет решать указанную задачу с вероятностью 2% в течение суток.

3. При углах раскрыва ущелья менее 90° вероятность определения местоположения объекта, терпящего бедствие, доплеровским методом в системе Коспас-Сарсат Не превышает значения 2% в течение суток.

4. При значениях задержки распространения компонент многолучевого сигнала 0 т 0,4- КГ6 с и множителе ослабления 0,01-i-0,1, вероятность не прохождения сообщения АРМ через ИСЗ низкоорбитальной группировки системы Коспас-Сарсат на станцию приема и обработки информации составляет 30%, что не обеспечивает решения задач поиска и спасения объекта, терпящего бедствие, с приемлемой вероятностью в условиях местности со сложным рельефом.

5. В качестве основного средства определения местоположения объекта, терпящего бедствие, в локальной системе поиска и спасения целесообразно использовать встроенный в АРМ приемоиндикатор СРНС. Для снижения времени поиска объекта в случае получения координат приемоиндикатором СРНС с низкой точностью (~5 км) в условиях местности со сложным рельефом или невозможности получения отсчета местоположения основным средством в качестве дополнительного навигационного устройства предлагается использовать АРК.

6. Использование в канале передачи навигационных данных ПСП, сверточного кодирования и перемежения позволяет осуществлять устойчивую работу системы при наличии как широкополосных, так и узкополосных помех, превышающих уровень мощности полезного сигнала на 20 и 35 дБ, соответственно, а также при наличии пакета ошибок (до 13) из-за воздействия импульсных помех.

7. Использование на борту поисково-спасательного ВС пятиканалыюго RAKE-приемника позволяет более чем в 30 раз снизить вероятность ошибки в канале передачи данных локальной системы поиска и спасения при наличии глубоких замираний сигнала в случае, когда задержка распространения переотраженных компонент принимаемого сигнала превышает длительность элемента ПСП (0,1 Цс).

8. При многолучевом распространении сигнала погрешность определения курсового угла АРМ фазовым и амплитудным АРК в режиме привода изменяется по синусоидальному закону с амплитудой 7° и 6°, соответственно, и периодом повторения 2-*-3 с. Постоянная времени системы управления поисково-спасательным ВС существенно превышает этот период, вследствие чего данный тип погрешности не оказывает существенного влияния на качество работы системы. В данной ситуации в локальной системе поиска и спасения целесообразно использовать амплитудный АРК, так как он имеет более простое схемотехническое решение.

По содержанию диссертации опубликованы следующие работы:

1. В изданиях, входящих в перечень, рекомендованный ВАК для опубликования основных научных результатов диссертаций:

1.1. Коверзнев Е.А. Использование широкополосных сигналов для передачи навигационных данных в спутниковых системах посадки и управления воздушным движением. Научный вестник МГТУ ГА. Серия Радиофизика и радиоэлектроника, №96, 2005г., с.61-65.

1.2. Коверзнев Е.А. Моделирование канала передачи данных при использовании сигналов с расширенным спектром. Научный вестник МГТУ ГА. Серия Радиофизика и радиоэлектроника, № 87, 2005г., с.37-42.

1.3. Коверзнев Е.А., Сурков Д.М. Анализ надежности связи в системе Коспас-Сарсат. Научный вестник МГТУ ГА. Серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов, № 99,2006г., с.111-114.

1.4. Коверзнев Е.А., Сурков Д.М. Анализ алгоритмов навигационных определений местоположения терпящего бедствие в системе Коспас-Сарсат. Научный вестник МГТУ ГА. Серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов, № 99, 2006г., е.! 15-118.

2. В прочих изданиях:

1.1. Коверзнев Е.А. Использование широкополосных сигналов для передачи навигационных данных в системах посадки глобальной навигационной спутниковой системы (ОШв). Тезисы докладов научно-практической конференции Третьего Сибирского Международного авиационно-космического салона (г. Красноярск, 2004 г. с. 136-139).

1.2. Коверзнев Е.А., Сурков Д.М. Анализ функционирования системы Коспас-Сарсат в условиях местности со сложным рельефом. Тезисы докладов МНТК.-МГТУ ГА, 2006 г., с. 12.

1.3. Коверзнев Е.А., Баранов Э.В. Анализ работа системы Коспас-Сарсат в условиях многолучевого распространения сигнала. Тезисы докладов МНТК.-МГТУ ГА, 2006 г., с.11.

Соискатель:

Коверзнев Е.А.

Печать офсетная 1,25 усл-печ.л.

Подписано в печать 24.11.06г. Формат 60x84/16

Заказ № 257/ _

1,16 уч.-изд. л. Тираж 70 экз.

Московский государственный технический университет ГА 125993 Москва, Кронштадтский бульвар, д. 20

Редащионно-издатепъский отдел

125493 Москва, ул. Пулковская, д.6а

© Московский государственный технический университет ГА, 2006

Введение.

1. Анализ эффективности алгоритмов навигационных определений объектов, терпящего бедствие, в системе Коспас-Сарсат в условиях местности со сложным рельефом.

1.1. Анализ влияния затенения рельефом местности на вероятность определения местоположения терпящего бедствия с использованием средств системы Коспас-Сарсат.

1.2. Анализ влияния эффекта многолучевости на качество функционирования канала передачи навигационных данных в системы Коспас-Сарсат.

Настоящая работа посвящена исследованию методов повышения эффективности поисково-спасательных работ в гражданской авиации (ГА). В работе производится анализ работы специализированных радиотехнических систем поиска и спасения, используемых в ГА, в условиях местности со сложным рельефом. По результатам анализа предлагается дополнить существующие системы поиска и спасения локальной системой на основе средств спутниковой и автономной навигации, позволяющей повысить вероятность обнаружения терпящего бедствие в условиях местности со сложным рельефом.

Актуальность работы. Ежегодно тысячи людей гибнут в результате различного рода катастроф. Для решения задач по спасению попавших в катастрофы были созданы службы поиска и спасения. Важность создания систем поиска аварийных объектов обусловлена тем, что аварийность авиационного транспорта продолжает оставаться сравнительно высокой, особенно для малой авиации. Это связано не только с состоянием парка воздушных судов (ВС) малой авиации, но и с более сложными условиями полета. Федеральные авиационные правила поиска и спасения в государственной авиации были утверждены Правительством Российской Федерации 6 февраля 2003 года (Постановление № 65). В соответствии с данными правилами авиационный поиск и спасение организовываются Федеральным управлением авиационно-космического поиска и спасения при Министерстве обороны Российской Федерации (ФПСУ). Авиационный поиск и спасение - это составная часть аэронавигационного обслуживания, заключающаяся в оказании своевременной помощи пассажирам и экипажам ВС при возникновении аварийных ситуаций [1].

Радиотехнический поиск является основным видом поиска. В настоящее время во всех аварийных случаях, угрожающих безопасности полета, экипаж ВС может подать следующие сигналы бедствия:

• сообщить о бедствии открытым текстом по действующим каналам управления полетом, по которым к началу сложившейся на борту аварийной ситуации ВС имело связь, и продублировать по общим каналам связи и пеленгации на аварийных частотах 121,5 (406,025) МГц и 2182 кГц;

• включить аварийный радиомаяк "Коспас-Сарсат";

• одновременно с передачей сигнала "SOS" или "Терплю бедствие" включить сигнал "Бедствие" на аппаратуре опознавания и сигнал "Авария" на ответчике УВД. При полетах вне границ Российской Федерации на ответчике УВД ИКАО устанавливается код 7700 "Бедствие".

Кроме того, операция по поиску и спасению согласно правилам ФПСУ начинается при получении информации об аварии следующим образом:

• при получении доклада от экипажа воздушного судна, наблюдавшего бедствие;

• при получении сообщения о бедствии от очевидцев;

• при получении сообщения о бедствии от правоохранительных органов или органов исполнительной власти субъектов Российской Федерации и органов местного самоуправления;

• при неприбытии воздушного судна в пункт назначения в течение 10 мин после расчетного времени и отсутствия радиосвязи с ним в течение более 5 мин;

• если экипаж воздушного судна получил разрешение на посадку и не произвел ее в установленное время с потерей радиосвязи с ним;

• при потере радиосвязи с экипажем воздушного судна и одновременного пропадания отметки радиолокационной проводки или потере радиосвязи более чем на 5 минут, если радиолокационная проводка не велась;

• при возникновении чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера.

Международным комитетом по радио и связи для радиотехнических средств поиска и спасения были выделены частоты и разработаны правила пользования ими. В соответствии с рекомендациями Международной организации гражданской авиации (ИКАО) с 2005 года все ВС, подпадающие под действие Конвенции ИКАО (приложение 6), должны иметь на борту совместимый с системой Коспас-Сарсат аварийный радиомаяк (АРМ), работающий на частоте 406 МГц (АРМ 406)[1]. В связи с участившимися катастрофами вертолетов и региональных самолетов Министерством транспорта Российской Федерации в августе 2004 года было принято решение об оснащении АРМ 406 всех типов ВС. Таким образом, система Коспас-Сарсат является основной радиотехнической системой поиска и спасения в гражданской авиации.

Данная система также производит обработку сигналов АРМ, работающих на частотах 121,5 и 243 МГц. Радиомаяки, работающие на частоте 121,5 Мгц, доступны по цене, но используемая в них технология, которая не может быть улучшена достаточно простым способом, является причиной большого числа аварийных ложных срабатываний (более 98% срабатываний аварийных АРМ на частоте 121,5 МГц - ложные). Данная ситуация снижает эффективность поисково-спасательных операций (ПСО) и увеличивает нагрузку на спасательно-координационные центры. Вследствие этого с 2000 года комиссия Коспас-Сарсат инициировала план о полном прекращение работы системы Коспас-Сарсат на частоте 121,5/243 МГц с 2009 года. Более подробно с рекомендациями и планом прекращения обработки сигналов 121,5/243 МГц можно ознакомиться на официальном сайте системы Коспас-Сарсат [2].

АРМ 406 появился сравнительно недавно. Существующий парк ВС ГА нашей страны, имеющих на борту специализированные радиотехнические средства поиска и спасания, на 80 % оборудован АРМ, работающими на частоте 121,5 МГц (аварийно-спасательная радиостанция Р855 и её модификации). С учетом экономической конъюнктуры, для большинства авиаперевозчиков, работающих на местных авиалиниях, переоборудование ВС АРМ 406 является достаточно дорогостоящим. Один радиомаяк стоит около $4500, комплект - вдвое дороже. Стоимость установки оборудования на самолет зависит от стоимости разработки конструкторской документации. Необходимо отметить, что система имеет низкую вероятность обнаружения объекта, терпящего бедствие в условиях местности со сложным рельефом, на которую приходится наибольшее число аварий малой авиации. Это обусловлено следующими причинами:

• в условиях многолучевого распространения сигнала становится актуальной проблема надежности связи;

• в условиях ограниченного времени нахождения в зоне видимости объекта, терпящего бедствие, спутников низкоорбитальной группировки системы Коспас-Сарсат и воздействия многолучевости уменьшается вероятность определения местоположения объекта доплеровским методом;

• возникает проблема затенения рельефом местности спутников геостационарного сегмента системы Коспас-Сарсат;

• модели маяков, использующие протокол с координатами, не всегда могут получить достоверный отсчет местоположения объекта с использованием средств на основе глобальной навигационной спутниковой системы (СРНС) GPS/TJIOHACC из-за плохого взаимного геометрического расположения навигационных космических аппаратов (НКА) и АРМ, а также из-за недостаточного уровня принимаемого сигнала.

Кроме того, для АРМ 406 уровень ложных срабатываний остается довольно высоким: лишь одно из примерно 17 аварийных сообщений является действительным. Это увеличивает нагрузку на спасательно-координационные центры.

Кроме системы Коспас-Сарсат для поиска и спасения объектов, терпящих бедствие, в ГА используется локальная система. Обнаружение объектов, терпящих бедствие, и привод поисково-спасательных ВС в район авиакатастрофы в данной системе осуществляется с помощью автоматического радиокомпаса (АРК) по сигналам АРМ, работающего на частоте 121,5 МГц. Данная система была разработана в середине прошлого века и морально и технически устарела.

В настоящей работе рассматриваются вопросы создания локальной системы, позволяющей повысить эффективность поисково-спасательных работ в условиях местности со сложным рельефом.

Из изложенного можно сделать вывод об актуальности проведения исследо- ' ваний по теме диссертации.

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является разработка рекомендаций по созданию локальной системы поиска и спасения с минимально необходимым количеством оборудования, обеспечивающей высокую вероятность обнаружения объекта, терпящего бедствие, в условиях местности со сложным рельефом.

Для достижения поставленной цели было необходимо решение следующих основных задач:

• анализ работы существующих радиотехнических систем поиска и спасения в условиях местности со сложным рельефом;

• анализ возможности проведения навигационных определений с использованием приемоиндикатора (ПИ) GPS/TJIOHACC для решения задач поиска и спасения;

• выбор и обоснование структуры передаваемого сигнала, позволяющей повысить надежность канала связи в условиях многолучевого распространения сигнала и влияния других мешающих воздействий;

• анализ и обоснование состава средств навигации, позволяющего повысить вероятность определения местоположения объекта, терпящего бедствие, в условиях местности со сложным рельефом.

Методы исследований. При решении перечисленных задач были использованы прикладные методы теории вероятности и случайных процессов, аппарат линейной алгебры, методы теории оптимального оценивания, а также методы математического моделирования.

Научная новизна работы. Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней впервые произведен системный анализ существующих радиотехнических систем поиска и спасения в условиях местности со сложным рельефом и предложены пути повышения эффективности поисково-спасательных работ с использованием спутниковых и автономных средств навигации.

В диссертации получены следующие основные результаты:

• произведен системный анализ функционирования радиотехнических систем поиска и спасения в условиях местности со сложным рельефом;

• разработаны принципы построения локальной системы поиска и спасения с применением автономных и спутниковых средств навигации;

• разработаны рекомендации по способам повышения надежности передачи навигационной информации в предлагаемой системе в условиях различных возмущающих воздействий, включая переотражения от подстилающей поверхности;

• произведена оценка влияния эффекта многолучевости на точностные характеристики амплитудных и фазовых радиокомпасов;

• дана оценка влияния систематической ошибки определения курсового угла АРМ радиокомпасом на время привода поисково-спасательного ВС к месту нахождения объекта, терпящего бедствие.

На защиту выносятся:

• результаты анализа влияния возмущающих факторов на вероятность решения задачи поиска и спасения объекта, терпящего бедствие, в условиях интенсивных мешающих воздействий и местности со сложным рельефом с использованием существующих радиотехнических средств поиска и спасения;

• принципы построения локальной системы поиска и спасения с использованием спутниковых средств (GPS/TJIOHACC) и автономных средств навигации.

Практическая значимость работы состоит в том, что полученные результаты могут быть использованы для создания локальной системы поиска и спасения, поскольку позволяют:

• повысить вероятность обнаружения объектов, терпящих бедствие, в условиях местности со сложным рельефом за счет использования помехоустойчивого канала передачи данных и приемника, когерентно собирающего энергию компонент многолучевого сигнала;

• снизить стоимость системы и повысить надежность её работы за счет минимизации состава оборудования;

• повысить скрытность работы системы поиска и спасания за счет передачи сигнала с очень низким уровнем мощности;

• повысить вероятность обнаружения объекта, терпящего бедствие, за счет использования автономных средств навигации.

Внедрение результатов. Основные результаты внедрены в Московском конструкторском бюро «КОМПАС» и в МГТУ ГА, что подтверждено соответствующими Актами.

Апробация результатов. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научно-практической конференции Третьего Сибирского Международного авиационно-космического салона (2004 год, г. Красноярск), на Международной научно-технической конференции "Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества" (май 2006 года, МГТУ ГА).

Публикация результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в 4-х статьях и 3-х тезисах докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка используемых источников. Диссертация содержит 115 страниц текста, 47 рисунков, 7 таблиц и библиографию из 40 наименований.

выводы:

1. В предлагаемой локальной системе поиска и спасения в качестве автономного средства, позволяющего осуществлять привод поисково-спасательное ВС в район авиакатастрофы целесообразнее использовать АРК с амплитудным метод пеленгации, так как при прочих равных условиях амплитудные угломерные системы по сравнению с фазовыми реализуют меньшую или равную ошибку пеленгования в условиях многолучевого распространения сигнала. Причем, АРК, использующие амплитудный метод пеленгации, более простые в построении и, как следствие, имеют более низкую стоимость.

2. При многолучевом распространении сигнала погрешность определения курсового угла АРМ фазовым и амплитудным АРК при соотношении сигнал/шум -40 дБ изменяется по синусоидальному закону с амплитудой, не превышающей 7° и 6°, соответственно, и периодом повторения 2-3 с. Постоянная времени системы управления поисково-спасательным воздушным судном существенно превышает этот период, вследствие чего данный тип погрешности не оказывает существенного влияния на качество работы системы.

3. Наличие систематической погрешности определения курсового угла АРМ АРК не оказывается существенного влияния на время привода поисково-спасательного ВС в район авиакатастрофы. При наличии ошибки определения курсового угла в 15° время привода воздушного судна к объекту, терпящему бедствие, увеличиваемся на 3,5%.

107

Заключение

Диссертация направлена на решение актуальной научной задачи совершенствования методов и средств навигационного обеспечения поисково-спасательных работ с использованием спутниковых и автономных средств навигации с целью повышения вероятности обнаружения объектов терпящих бедствие в условиях местности со сложным рельефом.

В результате проведенных исследований получены следующие научные результаты

1. Получены расчетные соотношения, позволяющие оценить значение вероятности решения задач поиска и спасения средствами системы Коспас-Сарсат при использовании доплеровского метода определения местоположения объекта, терпящего бедствие, а также при получении координат от встроенного в аварийный радиомаяк приемоиндикатора СРНС и передаче их через ИСЗ низкоорбитальной и геостационарной группировок.

2. Показано, что при многолучевом распространении сигнала в условиях местности со сложным рельефом происходит существенное ухудшение надежности связи в системе Коспас-Сарсат, что, в конечном счете, приводит к снижению вероятности решения задач поиска и спасения.

3. . Предложена структура локальной системы поиска и спасения, использующая спутниковые и автономные средства навигации. Показано, что при использовании в канале передачи данных предлагаемой системы сигналов с расширенным спектром, сверточной схемы кодирования и перемежения позволяет достичь высокой помехоустойчивости работы системы в условиях воздействия различного рода помех.

4. Показано, что в условиях местности со сложным рельефом использование приемника, когерентно собирающего энергию многолучевых компонент сигнала расширенного спектра по пяти направлениям (RAKE-приемник), позволяет существенно снизить вероятность появления ошибок в канале передачи данных при наличии глубоких замираниях сигнала.

5. Проведен сравнительный анализ схемотехнических решений амплитудных и фазовых АРК, а также дана оценка потенциальной точности определения курсового угла АРМ с помощью АРК с использованием амплитудных и фазовых методов в условиях воздействия шумов и многлучевого канала распространения сигнала.

6. Дана оценка влияния систематической погрешности определения курсового угла АРМ с помощью АРК на время привода поисково-спасательного воздушного судна к месту нахождения объекта, терпящего бедствие.

7. Разработан программно-математический комплекс в среде математического научно-технического программирования MATLAB, позволяющий производить оценку влияния затенения рельефом местности и переотражений на качество функционирования системы Коспас-Сарсат и предлагаемой локальной системы поиска и спасания в условиях местности со сложным рельефом.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы

1. Использование встроенного в аварийном радиомаяке приемоиндикатора СРНС позволяет определять местоположение объекта, терпящего бедствие, с вероятность ~0,75 и точностью до 500 метров (сг) даже при углах раскрыва ущелья а = 50° при условии, что последнее полученное приемоиндика-тором значение координат передается в течение последующих 4 часов, а перемещение объекта незначительное.

2. Геостационарный сегмент системы Коспас-Сарсат не обеспечивает передачу аварийных сообщений на станцию приема и обработки информации при углах раскрыва ущелья менее 90° на всей территории нашей страны, а низкоорбитальный сегмент при углах раскрыва ущелья менее 90° позволяет решать указанную задачу с вероятностью 2% в течении суток.

3. При углах раскрыва ущелья менее 90° вероятность определения местоположения объекта, терпящего бедствие, доплеровским методом в системе Коспас-Сарсат не превышает значения 2% в течение суток.

4. При значениях задержки распространения компонент многолучевого сигнала 0 + 0,4 • 10~6 с и множителе ослабления 0,01 + 0,1 вероятность непрохождения сообщения аварийного радиомаяка через ИСЗ низкоорбитальной группировки системы Коспас-Сарсат на станцию приема и обработки информации составляет ~22%, что не обеспечивает решения задач поиска и спасения объекта, терпящего бедствие, с приемлемой вероятностью в условиях местности со сложным рельефом.

5. В качестве основного средства определения местоположения объекта, терпящего бедствие, в локальной системе поиска и спасения целесообразно использовать встроенный в АРМ приемоиндикатор СРНС. Для снижения времени поиска объекта в случае получения координат приемоиндикатором СРНС с низкой точностью (~5 км) в условиях местности со сложным рельефом или невозможности получения отсчета местоположения основным средством в качестве дополнительного навигационного устройства предлагается использовать АРК.

6. Использование в канале передачи навигационных данных ПСП дленной 10230 символов и периодом повторения 1 мс позволяет осуществлять передачу данных без ухудшения качества при наличии как широкополосных, так и узкополосных помех, превышающих уровень мощности полезного сигнала на 20 и 35 дБ, соответственно, а также в условиях многолучевого канала распространения сигнала для компонент, задержка распространения которых превышает 0,1 мкс относительно сигнала, по которому произведена синхронизация по коду в корреляционном приемнике.

7. Использование в канале передачи навигационных данных сверточного кодирования со степенью кодирования к/п=1/2 и длиной кодового ограничения К=7, а также блочного перемежения позволяет осуществлять устойчивую работу системы при наличии при наличии пакета ошибок (до 13) вследствие воздействия импульсных помех и замираний сигнала.

8. Использование на борту поисково-спасательного воздушного судна пятика-нального RAKE-приемника позволяет более чем в 30 раз снизить вероятность ошибки в канале передачи данных локальной системы поиска и спасения при наличии глубоких замираний сигнала в случае, когда задержка при распространении переотраженных компонент принимаемого сигнала превышает длительность элемента ПСП (0,1 мкс).

9. В предлагаемой локальной системе поиска и спасения в качестве автономного средства, позволяющего осуществлять привод поисково-спасательное ВС в район авиакатастрофы целесообразнее использовать АРК с амплитудным метод пеленгации, так как при прочих равных условиях амплитудные угломерные системы по сравнению с фазовыми реализуют меньшую или равную ошибку пеленгования в условиях многолучевого распространения сигнала. Причем, АРК, использующие амплитудный метод пеленгации, более простые в построении и, как следствие, имеют более низкую стоимость.

10. При многолучевом распространении сигнала погрешность определения курсового угла АРМ фазовым и амплитудным АРК при соотношении сигнал/шум -40 дБ изменяется по синусоидальному закону с амплитудой, не превышающей 7° и 6°, соответственно, и периодом повторения 2-^3 с. Постоянная времени системы управления поисково-спасательным воздушным судном существенно превышает этот период, вследствие чего данный тип погрешности не оказывает существенного влияния на качество работы системы.

11.Наличие систематической погрешности определения курсового угла АРМ АРК не оказывается существенного влияния на время привода поисково-спасательного ВС в район авиакатастрофы. При наличии ошибки определения курсового угла в 15° время привода воздушного судна к объекту, терпящему бедствие, увеличиваемся на 3,5%.

1. Федеральные авиационные правила поиска и спасения в государственной авиации.

2. Официальный сайт Коспас-Сарсат. http://www.cospas-sarsat.org.

3. ИКД ГЛОНАСС Редакция 5.0,2002.

4. GPS interface control document ICD-GPS-200,2000.

5. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования./ Под редакцией А.И. Петрова, В.Н. Харисова М.: Радиотехника, 2005 г.

6. Межгосударственный авиационный комитет. Квалификационные требования КТ-34-01 "Бортовое оборудование спутниковой навигации", 2001 г.

7. SARPS ICAO для глобальной спутниковой навигационной системы. 1999 г.

8. Mich'ele Basseville, Igor V.Nikiforov, Detection of Abrupt Changes: Theory and Applications, Prentice-Hall Englewood Cliffs, N.J., 1993.

9. Долуханов М.П. Распространение радиоволн. М.,"Связь",1972.

10. Бронштейн И.Н, Семендяев К.А Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов.-13-е изд.-М.: Наука ,1986.

11. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. Учебник для вузов. Изд. 3-е. -М.: Сов. Радио, 1977.12. 12 Г. Ван Трис. Теория обнаружения, оценок и модуляция.-М.: Сов. Радио, 1972.

12. Clark, George С. Jr., and J. Bibb Cain, Error-Correction Coding for Digital Communications, New York, Plenum Press, 1981.

13. Gitlin, Richard D., Jeremiah F. Hayes, and Stephen B. Weinstein, Data Communications Principles, New York, Plenum Press, 1992.

14. Wicker, Stephen В., Error Control Systems for Digital Communication and Storage, Upper Saddle River, N.J., Prentice Hall, 1995.

15. Sklar, Bernard, Digital Communications: Fundamentals and Applications, Engle-wood Cliffs, N.J., Prentice-Hall, 1988.

16. Кукес И.С., Старик M.E. Основы радиопеленгации. -M.: Сов. Радио, 1964.

17. Кинкулькин И.Е., Рубцов В.Д., Фабрик М.А. Фазовый метод определения координат.-М.: Сов. Радио, 1979.

18. Yasuda, Y., К. Kashiki, and Y. Hirata, "High Rate Punctured Convolutional Codes for Soft Decision Viterbi Decoding," IEEE Transactions on Communications, Vol. COM-32,1984.

19. Бернард Скляр. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд.-2е. исп. Пер. с англ.-М. Издательский дом "Вильяме", 2003.

20. Прокис ДЖ. Цифровая связь. Перевод с англ.-М. Радио и связь, 2000.

21. Радиорегламент Российской федерации.

22. Сосновский А.А., Хаймович А.И. Авиационная радионавигация. Справочник. -М.: Транспорт, 1980.

23. Авиационная радионавигация. Справочник./ Под ред. Сосновского.-М.: Транспорт, 1990.

24. Вопросы статистической теории радиолокации./ Под редакцией Г.П. Тарта-ковского.-М. Сов. радио, 1964.

25. Рыбаков Б.С. потенциальная точность пеленгования следящих угломеров амплитудными и фазовыми методами.// Радиоэлектроника.-1980.-№7

26. Дальнее тропосферное распространение УКВ./ Под ред. Б.А. Введенского, М.А. Колосова, А.И. Калинина, Я.С. Шифрина.-М.: Сов. Радио, 1966.

27. Кловский Д.Д., Сойфер В.А. Обработка пространственно-временных сигна-лов.-М.: Связь, 1976.

28. Левин Б.Р. Статистическая радиотехника.-М.: Сов радио, 1966.

29. Рыбаков Б.С., Полищук Ю.М. Экспериментальное исследование параметров статистической гауссовской модели поля сантиметровых волн за горизон-том//Радиотехника и электроника -1972.-Т.17.-№6.

30. Рыбаков Б.С. Статистические характеристики разности фаз сигналов при распространении сантиметровых волн за горизонт// Радиоэлектроника.-1976.-Т.19.-№8.

31. Фалькович С.Е. Прием радиолокационных сигналов на фоне флуктуацион-ных помех.-М.: Сов. Радио, 1961.

32. Саидов А.С., Тагилаев А.Р., Алиев Н.М., Асланов Г.К. Проектирование фазовых автоматических радиопеленгаторов.-М.: Радио и связь,1997.

33. Коверзнев Е.А. Использование широкополосных сигналов для передачи навигационных данных в спутниковых системах посадки и управления воздушным движением. Научный вестник МГТУ ГА. Серия Радиофизика и радиоэлектроника, №96,2005г.

34. Коверзнев Е.А. Моделирование канала передачи данных при использовании сигналов с расширенным спектром. Научный вестник МГТУ ГА. Серия Радиофизика и радиоэлектроника, № 87,2005г.

35. Коверзнев Е.А., Сурков Д.М. Анализ надежности связи в системе Коспас-Сарсат. Научный вестник МГТУ ГА. Серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов, № 99,2006г.

36. Коверзнев Е.А., Сурков Д.М. Анализ функционирования системы Коспас-Сарсат в условиях местности со сложным рельефом. Тезисы докладов МНТК,-МГТУГА, 2006 г.

37. Коверзнев Е.А., Баранов Э.В. Анализ работы системы Коспас-Сарсат в условиях многолучевого распространения сигнала. Тезисы докладов МНТК.-МГТУ ГА, 2006 г.