автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Обработка информации в системах относительной радионавигации

КАДЕ^ИЯ фрОРОННЫХ ОТРАСЛЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

.............................................................................-

На правах пукопнсн

ШАТРАКОВ Артем Юрьевич

"Обработка информации в системах относительной радионавигации "

пецнальность 05.12.13 - "Системы и устройства радиотехники

и связи "

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

КАДЕМИЯ ОБОРОННЫХ ОТРАСЛЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

На правах рукописи

ШАТРАКОВ Артем Юрьевич

"Обработка информации в системах относительной радионавигации "

пецнальность 05.12.13 - "Системы и устройства радиотехники

и связи "

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Академии оборонных отраслей промышленности

Научные руководители:

Официальные оппоненты:

Главный инженер, заместитель руководителя Московского КБ "Компас" по научной работе, к. т. н. Мосяков Е. А. Заведующий кафедрой РТС Академии оборонных отраслей промышленности, д. т. н., профессор Умрихин Ю. Д. Проректор по научной работе Московского Государственного Технического Университета Гражданской Авиации, д. т. н., профессор Козлов А. И.

Заместитель начальника научно-технического Центра Министерства оборонной промышленности Российской Федерации, к. т. н., старший научный сотрудник Талалай М. А. Центральный научно-исследовательский институт радиоэлектронных систем

Защита состоится в/^"часов на заседа-

нии диссертационного совета Д/ 115. 05. 01 при Академии оборонных отраслей промышленности по адресу: г. Москва, ул. Молодогвардейская, д. 46, корп. 1.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Академии оборонных отраслей промышленности.

Автореферат разослан

О / 1996 г.

Ведущая организация:

Ученый секретарь диссерта: к. т. н., доцент

совета

. И. Чересов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Решение задачи высокоточного оп-:деления координат подвижных объектов является крайне актуальна проблемой. Это связано как с нарастающей интенсивностью тжения в воздушном пространстве, в акваториях морей, проливов, 'к, озер, заливов, на улицах больших городов и автомобильных ассах, так и с необходимостью решения связанных с этим эконо-1ческих проблем. Определение местоположения подвижных объекте сегодня уже не решается без использования различных радиона-[гационных систем. Эти системы в ряде случаев могут служить как :новным источником координирования объектов, так и вспомога-льными средствами, обеспечивающими вычисление поправок к ко-щинатам, определяемым другими навигационными средствами. 1е зависимости от цели использования радионавигационных сис-м проблема повышения точности их работы всегда была и будет шовной задачей специалистов, создающих и эксплуатирующих эти :стемы.

В последние годы проведен ряд фундаментальных исследова-ш, результатом которых явилось создание средств и методов обра->тки радионавигационных сигналов, позволяющих определять по-•жение объектов с точностью долей метра.

В России, в результате проводимых исследований, не только расширился круг предприятий и организаций, решающих задачи создания радионавигационных систем, но и воспитана отечественная школа высококлассных ученых и специалистов.

Учитывая высокую эффективность практического использования относительной радионавигации, федеральными органами России разработан и принят к реализации Российский радионавигационный план, в котором определенное место занимают системы относительной радионавигации, как системы, обеспечивающие потенциально высокие точности в ограниченных районах.

Как показывают исследования, использование режима относительной радионавигации возможно как для систем с опорными станциями наземного базирования, так и систем космического базирования. Особенно перспективен этот способ для случаев, когда не требуется знание абсолютных (географических) координат. При взаимном координировании группы объектов, координируемых по одной радионавигационной системе, один из них определяется в качестве опорного, текущие абсолютные координаты которого, принимаемые за начало системы относительных координат, передаются на другие объекты. На последних координаты определяются относительно опорного объекта.

В относительных координатах доля систематических ошибок доопределения существенно сокращается при уменьшении рас-эяния до опорной точки. В предельном случае погрешности отно-тельного местоопределения ограничиваются только лишь инстру-:нтальными погрешностями приемоиндикаторов, размещаемых на ъектах.

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ. Целью настоящей диссертации яв-ется исследование путей повышения точности взаимного коорди-рования объектов по сигналам радионавигационных систем в ре-ше относительной радионавигации.

ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ. Предметом исследования явля-ся процесс обработки сигналов в приемоиндикаторах РНС и оцен-ошибок местоопределения объектов в режиме относительной ра-онавигации.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Для достижения поставленной ли в диссертации осуществлено решение следующих основных за-ч:

исследованы и систематизированы погрешности местоопределения подвижных объектов в режиме относительной радионавигации;

проведен анализ причин и особенностей возникновения систематических ошибок и выработаны рекомендации по их уменьшению;

• разработана математическая модель процедуры обработки сигналов в приемоиндикаторе, обеспечивающая снижение погрешностей местоопределения;

• осуществлена апробация режима относительной радионавигации на эксплуатируемых РНС.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Поставленная цель достигается на основе анализа доли систематических составляющих погрешностей местоопределения, зоны их пространственно-временной корреляции для РНС различного типа и разработки на его основе модели обработки сигналов в бортовых приемоиндикаторах и математических выражений для расчета точностных характеристик РНС в режиме относительной радионавигации.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Научная новизна представленных в диссертационной работе исследований заключается в:

• исследовании физической основы принципа относительной радионавигации;

• анализе причин возникновения систематических ошибок радионавигационных систем;

• определение области применения систем в режиме относительного координирования объектов;

анализе и определении предельных точностных характеристик радионавигационных систем в режиме относительной радионавигации;

разработке моделей процедур обработки (первичной и вторичной) сигналов в приемоиндикаторах в режиме относительного координирования;

разработке алгоритмов обмена информацией в режиме относительной радионавигации;

анализе экспериментальных результатов работы систем в режиме относительной радионавигации.

ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ.

1. Обоснование эффективности применения метода относи-льной радионавигации при взаимном координировании подвиж-.IX объектов..

2. Математический аппарат по оценке ошибок линий положе-1я в пространстве в режиме относительной радионавигации.

3. Математическая модель процедур обработки сигналов в (иемоиндикаторах РНС.

4. Алгоритм информационного обмена между приемоиндика-рами в режиме относительной радионавигации.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Практическая значимость зультатов исследований по диссертации заключается в существен-

ном увеличении точности взаимного координирования объектов, ме-стоопределение которых осуществляется по сигналам РНС в режиме относительной радионавигации.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты исследований прошли апробацию при практическом выводе летательных аппаратов в заданную точку, координаты которой предварительно определены с помощью РНС, а также путем экспериментальных проверок выполнения вертолетом грубого захода на посадку.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы. Диссертация содержит 181 страниц, 9 таблиц, 37 рисунков. Список литературы состоит из 63 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой проблемы, сформулирована цель исследования, содержится характеристика работы и ее основные результаты.

В первой главе производится постановка задачи исследований. Приведена краткая классификация существующих радионавигацион-

IX систем. Подробно рассмотрены дальномерный, дальномерный с реизлучением, разностно-дальномерный, обращенный разностно-льномерный, дифференциальный дальномерно-угломерный, пе-нгационный (угломерный) способы определения координат. Про-ден анализ причин возникновения ошибок местоположения шибки поверхности положения, линии положения, ошибки опре-:ления местоположения в пространстве и на плоскости) и путей их шжения для различных радионавигационных систем.

Приведены точностные характеристики систем и выработаны ¡комендации о целесообразности использования конкретных сис-м в режиме относительной радионавигации. Систематизированы /ти снижения погрешностей существующих систем.

В данной главе по результатам исследований и публикаций из->жена физическая основа принципа относительной радионавига-ли. Сделан вывод о том, что радиальная среднеквадратическая по-^шность оценки относительных координат определяется в основ-эм инструментальной погрешностью аппаратуры потребителя. Это 'щественно ниже, чем аналогичные оценки для абсолютных коор-1нат за счет компенсации входящих в их состав систематических и тьно коррелированных случайных погрешностей.

Особое место в первой главе отведено анализу возникновения 1стематических ошибок в системах различного типа. По результа-

там исследовании даны рекомендации по построению аппаратуры для снижения систематических ошибок.

Отдельно проведен анализ систематических погрешностей ме-стоопределения, связанных с условиями распространения радиоволн. Рассматриваются вопросы распространения поверхностных радиоволн для РНС среднечастотного диапазона (средневолновых РНС). Показано, что сокращение доли систематической погрешности ме-стоопределения и увеличение вероятности однозначного местоопре-деления могут достигаться следующими путями:

•использованием "верхнего" расположения приемной антенны (например, на топмачте судна), обеспечивающего минимизацию воздействия на нее паразитных переизлучателей;

•использование компенсирующих поправок на фазовую девиацию антенн.

Во второй главе разработана математическая модель процедуры обработки сигналов в приемоиндикаторах. Подробно рассмотрены процедуры первичной и вторичной обработки радионавигационных сигналов.

Первичная обработка предусматривает следующие основные процедуры:

•предварительное накопление (фильтрацию) смеси сигнала и мешающих воздействий;

•оценку времени существования поверхностных сигналов; •разрешение многозначности измерений и вычисление времени 1спространения сигналов опорных станций РНС.

Эти процедуры предусматривают определение некоторых па-аметров (время прихода, значение фазы) радионавигационных сиг-алов, принимаемых в смеси с мешающими воздействиями. Анализ ешающих воздействий требует знания характеристик различных идов случайных процессов, поэтому перед началом анализа следует раткое изложение некоторых элементов математической статисти-и.

Основные положения теории синтеза оптимальной первичной бработки на основе математической статистики сводятся к реше-ию следующих задач:

•оптимальное обнаружение сигнала, т. е. установление факта тсутствия или наличия сигнала;

•оптимальная оценка одного или нескольких параметров этого игнала (амплитуды, фазы, времени прихода и т. д.).

Процедура оптимального обнаружения сигналов в приемоин-икаторе основана на критерии минимального среднего риска и ис-юльзует априорные вероятности наличия сигнала в канале связи.

На основе проведенного исследования сделан вывод о том, что »птимальная схема измерителя временного положения импульсного

сигнала на интервале существования представляет собой многоканальный коррелятор в случае сигнала с известной фазой или многоканального коррелятора с двумя квадратурными компонентами в каждом канале для сигналов с неизвестной фазой. Под вторичной обработкой подразумевается: •дополнительная фильтрация сигналов РНС с учетом движения объекта;

•определение географических координат объекта; •определение дополнительных навигационных параметров (скорость, курс, расстояние до промежуточного пункта маршрута, направление на него, отклонение от заданного пути и т. д.); •передача информации о своих координатах. Для получения оптимальной оценки измерений необходимо, чтобы математическая модель полностью соответствовала реальным характеристикам процессов движения и измерения. Поэтому особое место отведено оптимизации обработки сигналов и применения фильтрации Калмана, так как фильтрация Калмана позволяет довольно точно описать характер ошибок счислителя на основе определенного класса датчиков скорости и курса, а, следовательно, и построить точную оценку координат объекта.

Для местоопределения различных предметов на земной поверхности в приемоиндикаторе решаются прямая и обратная геоде-

«еские задачи. Математические методы решения геодезических щач обеспечивают выполнение вычислений с любой математиче-кой точностью. В частности с применением трех итераций в методе есселя была получена точность вычисления длины геодезической инии порядка долей метров на любых расстояниях. Рассмотрено ычисление прямой и обратной геодезической задачи для случая эл-ипсоида и шара.

Проведен анализ статистических характеристик непреднаме-енных помех, имеющих место в СВ, КВ и УКВ диапазонах волн, [од непреднамеренными помехами подразумеваются помехи естест-енного и промышленного происхождения. Помехи естественного роисхождения включают в себя внутренние шумы приемных уст-ойств, космические и атмосферные шумы. К промышленным или ндустриальным помехам относятся помехи, создаваемые различно-о рода электрооборудованием, электро- и автомобильным трансортом, линиями электропередач и коммутационной аппаратурой азличного назначения. Появление индустриальных помех связано с [аличием резких скачков или импульсов тока и напряжения в схе-1ах, состоящих из сосредоточенных и распределенных реактивных опротивлений.

При решении задачи оценки степени совершенства подопти-1альных алгоритмов и степени их близости к оптимальным прово-

дится анализ различных видов нелинейных элементов в целях определения наиболее приемлемого из них для технической реализации алгоритма приема.

В третьей главе излагаются результаты апробации теоретических выводов и результатов исследований. Представлены результаты натурных испытаний систем в режиме относительной радионавигации. При этом показан реальный выигрыш при заходе на посадку, выходе на радионавигационную точку и движении объекта по маршруту.

Для экспериментального подтверждения практической возможности работы в режиме относительной радионавигации при решении задач выхода летательного аппарата в заданную на земной поверхности точку использовались:

•вертолет, оборудованный приемоиндикатором "Квиток-2"; •подвижный опорный пункт на автомобиле, оборудованный приемоиндикатором "Квиток-2";

•связная радиостанция для передачи экипажу вертолета и координат подвижного подвижного объекта.

При этом оценивались значения радиальной ошибки выхода вертолета на опорный пункт.

Взаимное координирование производилось по сигналам РНС "Тропик-2" ("Чайка").

Исследование возможности использования приемоиндикаторов [Ф РНС типа А-723 для решения задач захода на посадку в плохих етеоусловиях было осуществлено на самолете-лаборатории Ил-2М.

Приводятся результаты экспериментов, подтверждающих воз-ожность практического использования принципа относительной адионавигации при сближении подвижного объекта (автомобиля) с адионавигационной точкой (РНТ).

Экспериментально подтверждена точность вывода подвижно-о объекта, оборудованного серийной радионавигационной аппара-урой, на заданную РНТ с погрешностью, сравнимой с инструмен-альной погрешностью приемоиндикатора.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Полученные и систематизированные выражения позволяют |ценивать точностные характеристики относительного определения 1естоположения на плоскости и в пространстве для всех видов сис-•ем.

2. Исследованные физические основы работы радионавигаци->нных систем в режиме относительного определения координат поволили установить, что для рассмотренного класса систем средне-:вадратическая погрешность определения местоположения в пределе

определяется лишь инструментальной погрешностью приемоиндика-торов.

3. Анализ ошибок радионавигационных систем позволил установить, что основными составляющими ошибок являются флюктуа-ционные составляющие; систематические, вызванные недостоверностью учета условий распространения радиосигнала по трассе к прие-моиндикатору и девиационные составляющие из-за изменения фазового центра приемной антенны.

4. Для средневолновых радионавигационных систем единственным способом снижения (устранения) систематических погрешностей является введение поправок. Это связано с зависимостью скорости распространения поверхностных радиоволн от свойств подстилающей поверхности. Значение поправок можно установить лишь при обходе рабочей зоны системы и сравнении полученных координат при использовании второй системы, имеющей точность на порядок выше эксплуатируемой.

5. Процедура оптимального обнаружения сигнала в приемоин-дикаторе основывается на критерии минимального среднего риска и вводит в анализ априорную вероятность наличия сигнала в канале связи. В этих условиях обеспечивается уменьшение времени первого определения координат и снижается общее время на получение

еднего отсчета для фиксации координат радионавигационной точ-[ в 3 раза для режима относительной измерения координат.

6. Выполненный анализ разработанного алгоритма вторичной ¡работки информации в смешанном дальномерном и разностно-льномерном режиме показывает, что надежность устранения мно-!Значности будет одинакова. Однако причин для появления систе-ггических ошибок при дальномерном способе значительно больше, го связано с процессом перестройки режекторных фильтров для давления синхронных помех. Но при одинаковой форме сигналов

[менения б10А и 81ов будут также одинаковыми, и войдя в полу-:нные выражения (при разработке алгоритма) уменьшат вероят->сть устранения многозначности.

7. Анализ статистических характеристик естественных радио->мех в диапазоне СВ и КВ показывает, что они определяются атмо-зерными помехами, имеющими существенно негауссовский харак-:р. Помехи в диапазоне УКВ определяются шумами Солнца и небо-юда. Распределение этих помех подчиняется гауссовскому закону. ;зультаты анализа помех положены в основу построения аппарату->1 обмена информацией в режиме относительной радионавигации.

8. Анализ статистических помех позволяет констатировать:

•в диапазоне СВ уровень помех определяется атмосферными, индустриальными и электростатическими помехами. Их уровень превышает уровень собственных шумов приемного устройства, при коэффициенте шума входного усилителя 3 дБ и всенаправленном штыре, соответственно на 60 - 100 дБ, 75 - 105 дБ и 100 - 150 дБ. Причем помехи не подчиняются гауссовскому распределению, а являются, в зависимости от входной полосы приемных устройств, либо импульсными (широкая полоса), либо квазиимпульсными (узкая полоса). Заметим, что импульсность остается значительной даже при полосах менее 200 Гц;

•в диапазоне КВ характер помех примерно тот же, что и в диапазоне СВ. Различие состоит лишь в уровне помех, который для атмосферных, индустриальных и электростатических видов помех превышает уровень собственных шумов соответственно на 20 - 60 дБ, 50 - 75 дБ и 90 - 100 дБ;

•в диапазоне УКВ уровень помех определяется индустриальными и электростатическими помехами. Их уровень превышает собственные шумы приемника на 20 - 50 дБ и 50 - 90 дБ. Причем характер помех может изменяться от гауссовского (хорошие погодные условия, низкие электростатические помехи, полет далеко от промышленных центров) до квазиимпульсного;

•для определения пропускной способности каналов СВ, КВ и 1В в работе создана модель помех в виде композиции нормального югонормального законов.

9. Моделирование информационного обмена в режиме относи-1ьной радионавигации позволило установить, что:

•при полосе входного полосового фильтра совпадающей с по-сой сигнала, т. е. N = 1 (согласованный прием), оптимизация не иводит к улучшению помехозащищенности. Фактически это рав-сильно алгоритму, оптимальному для "белого" гауссовского шума;

•увеличение полосы входного фильтра, что соответствует уве-чению числа независимых отсчетов на длительности одной полки, приводит к повышению эффективности оптимального алго-тма, причем тем больше, чем выше степень импульсности помехи;

•увеличение полосы частот входного фильтра по отношению к лосе сигнала более чем в 10 раз нецелесообразно, так как приво-т к значительному усложнению аппаратуры, а также увеличивает роятность приема помех от соседних каналов, в то время как даль-йшее увеличение помехоустойчивости относительно мало;

•следует также учитывать, что для реальных импульсных помех иосферного, индустриального или электростатического происхож-ния, с ростом полосы частот входного фильтра увеличивается сте-

пень импульсности помехи, что приводит к повышению эффектив

ности оптимального алгоритма приема.

10. Повышение помехоустойчивости за счет введения нелинейного элемента не происходит при согласованном с сигналом входном полосовом фильтре (N=1). При использовании бланкирующего элемента вероятность ошибки может увеличиваться. Использование оптимального элемента при малом сигнале целесообразно лишь при отношении сигнал/шум меньше порога. Причем этот порог различен для различных помех. При малом отношении сигнал/шум

передачи цифровой информации (использование этого элемента при N<10 нецелесообразно).

Бланкирующий элемент является наилучшей аппроксимацией оптимального нелинейного алгоритма при малом сигнале, поэтому характер кривых помехоустойчивости хотя и отличается количественно, качественно носит тот же характер. Поэтому его использование при N < 10 тоже не целесообразно.

Линейный ограничитель обеспечивает наилучшие характеристики для различных параметров помехи при отношении сиг-

< 11 вероятность ошибки недопустимо велика для систем

9

ал/помеха ^

о

> 1. Этим обусловлена перспективность его ис-

эльзования при построении адаптивных алгоритмов приема.

Особое внимание следует уделить неадаптивному нелинейному тементу в виде предельного ограничителя, что связано с простотой -о аппаратной реализации и незначительными энергетическими по-;рями. Поэтому применение алгоритма приема, использующего редельный ограничитель наиболее привлекательно, учитывая также з, что он обладает определенными робастными свойствами в усло-тх действия квазиимпульсных помех.

11. Экспериментальные полеты вертолета, оборудованного се-ийной радионавигационной аппаратурой, подтвердили возмож-эсть выхода в заданную радионавигационную точку с погрешно-гыо, равноценной инструментальной. Точность выхода в радиона-лгационную точку находилась в пределах 11-85 м. Погрешность ра-эты системы по географическим координатам в этом районе не ревышала 500 м.

12. Экспериментальные полеты самолета-лаборатории, обору-эванного серийной радионавигационной аппаратурой, подтвердили ззможность выхода в заданную радионавигационную точку в нача-э взлетно-посадочной полосы (с известными координатами как ПМ) с погрешностью, равноценной инструментальной (~ 40 м).

13. Экспериментальные проверки выхода наземного транспортного средства (автомобиля) в заданные радионавигационные точки в режиме относительной радионавигации показали, что вне зависимости от времени погрешности равноценны инструментальным. Точность выхода в радионавигационную точку на неориентированной местности составили ~ 40 м.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Мосяков Е. А., Шатраков А. Ю. Относительная радионавигация // 1-я Международная конференция "Планирование глобальной радионавигации". Москва. 1995.

2. Рогозин А. Н., Шатраков А. 10. Погрешности моноимпульсных радиопеленгаторов при измерении угловых координат в зоне Френеля // Радионавигация и время. РИРНиВ. 1995. № 1.

3. Зайцев А. Н., Мосяков Е. А., Шатраков А. Ю. Применение им-пульсно-фазовой радионавигационной системы для решения задачи захода на посадку летательных аппаратов // Радионавигация и время. 1996. (В печати).

4. Отчет по НИР "Анализ возможностей применения реверсивных регистрирующих материалов в авиационных и космических ра-

диоэлектронных системах" // Академия оборонных отраслей промышленности. 1994. Инв. № 04.

Итоговый научно-технический отчет по НИР "Разработка системы для сертификации и метрологического обеспечения технологий оборонного комплекса и материалов о каталогизации" // Москва. Академия оборонных отраслей промышленности. 1995. Отчет по НИР "Оценка эффективности применения квазидально-мерного метода измерений при использовании длинноволновых РНС и временной информации от КНС" (шифр "Интегратор") // Москва. НТЦ "Интернавигация". 1994.

Отчет по НИР "Исследование возможностей применения аппаратуры А-723, А-727 на воздушных судах на полетах в зонах с неустойчивым приемом сигналов длинноволновых РНС" // Москва. НИР "Поправка-2" (Москва. ОКБ "Компас-М" Таганрог. ТАНТК им. Бериева). 1993.

Моделирование цифровых фильтров во временной и частотной области на ПЭВМ // Научно-практическая конференция слушателей 4-го факультета Академии МБ России. Москва. 1992 г. Итоговый научно-технический отчет по НИР "Исследования с помощью самолетной многочастотной РНС по экологическому мониторингу, поиску полезных ископаемых и картографированию. Инв. № 16. Академия оборонных отраслей промышленности. 1995 г.