автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.09, диссертация на тему:Повышение эффективности использования спутниковой радионавигации на транспортных вертолетах

На правах рукописи

МОИСБЙКИН Дмитрий Александрович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СПУТНИКОВОЙ РАДИОНАВИГАЦИИ НА ТРАНСПОРТНЫХ ВЕРТОЛЕТАХ

Специальность 05.07.09 - Динамика, баллистика, управление движением летательных аппаратов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара 2005

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева" (СГАУ)

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Белоконов Игорь Витальевич

Официальные оппоненты ■

доктор технических наук, профессор Коптев Анатолий Никитович

доктор технических наук,

профессор Красильщиков Михаил Наумович

Ведущее предприятие.

ФГУП «Санкт-Петербургское опытно-консгрукгорское бюро «Электроавтоматика»

Защита состоится « 3 » марта 2006 г. в Ю00_часов на заседании диссертационного совета Д 212.215.04 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева" по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34, корпус За.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГАУ.

Автореферат разослан « 27 » января 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

А.Г. Прохоров

2-OQ6A 2А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие экономики и государства требует интенсификации грузоперевозок, что приводит к повышению числа воздушных и, в частности, вертолетных перевозок.

В настоящее время основу вертолетного парка России составляют различные модификации транспортных вертолетов Ми-8 и транспортно-боевого вертолета Ми-24 конструкции КБ Миля, транспортно-боевые вертолеты Ка-27, Ка-26 и Ка-29, конструкции КБ Камова, выполняющие задачи в интересах военно-морского флота. За более чем двадцатилетнюю историю использования этих летательных аппаратов, их штатное навигационное оборудование (ШНО) практически не изменилось. Все датчики навигационной информации работают отдельно и не увязаны в единый навигационный комплекс (НК). Основным методом местоопределения остается визуальная ориентировка. Учитывая постоянно расширяющийся круг задач, возлагаемых на вертолетную авиацию, можно определить совершенствование навигационного оборудования вертолета как первоочередную и актуальную задачу. Один из вариантов решения проблемы заключается в более широком использовании аппаратуры потребителей (АП) спутниковых радионавигационных систем (СРНС). Применение СРНС на российских вертолетах началось с середины 90-х годов. Одновременно с появлением навигационных приемников на вертолетах начинается теоретическое рассмотрение вопросов их использования с целью расширения области применения. К таким работам относятся, например, исследование влияния несущего винта (НВ) вертолета на прием радионавигационных сигналов от спутников, проведенное группой исследователей во главе с профессором Рубцовым В.Д.; разработка интегрированной навигационной системы, предназначенной для установки на вертолетах UH - 60 A/L "Блэк Хо-ук" и СН - 47 D "Чинук", включающей GPS приемник и облегченный доплеровский навигационный измеритель, выполненная X. Бьюилом и JI Олейником; проектирование интегрированной навигационной системы вертолета на базе бесплатформенной инерциальной навигационной системы, многоканального приемника СРНС и радиолокационной станции для решения задачи огибания рельефа местности на предельно малых высотах полета, проведенное группой авторов под руководством Красилыци-кова М.Н. Однако в выполненных в этой области работах не были рассмотрены следующие вопросы: влияние конструктивных особенностей вертолета при использовании соосной схемы с двумя НВ, а также отличие номинальных режимов полета вертолета и условий его эксплуатации от других типов летательных аппаратов (ЛА), что существенно влияет на прием навигационных сигналов АП СРНС; оценка эффективности комплексирования спутниковых навигационных приемников со штатной навигационной аппаратурой курсо-доплеровского типа; навигационное обеспечение задачи транспортировки груза на внешней подвеске вертолета.

В этой связи, предметом исследований диссертационной работы являются принципы и алгоритмы комплексирования ШНО вертолета с аппаратурой СРНС, расширяющие области использования вертолета, повышающие безопасность его эксплуатации и качество решаемых задач.

Объект исследования: навигационное обеспечение российских транспортных вертолетов при использовании аппаратуры СРНС.

Цель работы: повышение точности и надежности навигации транспортных вертолетов за счет комплексирования ШНО и АП СРНС с учетом их конструктивных особенностей и условий эксплуатации. Основные задачи исследования:

1. Анализ проблемы навигации транспортных вертолетов с использованием СРНС.

2. Разработка модели влияния основных возмущающих факторов на точность и надежность СРНС транспортных вертолетов.

3. Экспериментальное исследование влияния основных возмущающих факторов на точностные характеристики навигации.

4 Разработка схемы и алгоритма комплексирования ШНО и АП СРНС. 5. Разработка навигационного алгоритма для выполнения вертолетом задачи транспортировки груза на внешней подвеске при использовании АП СРНС.

Методы исследований. При решении перечисленных задач использовались методы системного анализа, прикладные методы теории вероятностей и теории случайных процессов, методы оптимальной фильтрации и математического моделирования, положения теории подобия. При выполнении работы проведены полунатурные эксперименты с последующей обработкой полученных результатов с помощью теории случайных процессов.

Научная новизна результатов исследований:

1. Разработана математическая модель влияния несущих винтов вертолета соосной схемы на прием сигналов антенной спутникового навигационного приемника на основе известной модели влияния НВ традиционной схемы.

2. Разработана модель и методика учета атмосферных искажений, которые, в отличие от существующих позволяют вычислять аналитические поправки псевдодальности и псевдоскорости применительно к рассматриваемым режимам полета вертолета.

3. Разработан алгоритм навигационного комплексирования спутникового приемника и штатного навигационного оборудования вертолета курсо-доплеровского типа, и соответствующая функциональная схема.

4. Разработан алгоритм навигационного обеспечения при решении задачи транспортировки груза на внешней подвеске вертолета, основывающийся на принципах относительной спутниковой радионавигации, и соответствующая схема.

Личный вклад соискателя:

1. Анализ проблем навигации транспортных вертолетов с использованием спутниковых радионавигационных систем.

2. Математическая модель влияния несущих винтов на вертолете соосной схемы разработана автором на основе существующей математической модели влияния НВ вертолета традиционной схемы.

3. Полунатурные исследования экранирующего воздействия НВ на точность позиционирования при спутниковой радионавигации.

4. Вопросы комплексирования ШНО вертолета и спутникового радионавигационного приемника рассмотрены автором лично. Постановка задачи оценки эффективности комплексируемой системы выполнена И.В. Белоконовым.

5. Предположение о возможности использования алгоритмов относительной навигации при транспортировке грузов вертолетом на внешней подвеске принадлежит И.В. Белоконову. Разработка структурной схемы и анализ точностных характеристик рассматриваемой системы выполнены автором лично.

Практическая ценность исследования:

1. По результатам исследований выработаны практические рекомендации по размещению и использованию АП СРНС на вертолете, учет которых позволит повысить точность и надежность навигации.

2. Создание навигационных комплексов на основе предложенных алгоритма и схемы комплексирования штатного оборудования и СРНС обеспечит летчика навигационной информацией на качественно новом уровне, позволяющем решать практически все типы задач, возлагаемые на вертолеты.

3. Применение алгоритмов определения взаимного положения на основе двух навигационных приемников повысит безопасность транспортировки грузов на внешней подвеске вертолета.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Математическая модель влияния несущих винтов соосной схемы и результаты экспериментальных исследований влияния несущего винта вертолета традиционной схемы на прием сигналов АП СРНС.

2. Схема комплексирования ШНО вертолета со спутниковым навигационным приемником и алгоритм навигационных определений.

3. Алгоритм навигации при транспортировке грузов на внешней подвеске вертолета

4. Рекомендации по повышению точности и надежности навигационных определений при использовании на вертолете АП СРНС.

Достоверность и обоснованность диссертационного исследования обеспечивается корректностью математической постановки задачи, строгостью применяемых методов решения и обоснованностью методики проведения экспериментов, сопоставлением полученных численных результатов экспериментальных исследований с результатами статистического моделирования.

Апробация результатов исследования. Основные научные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: XIII Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы повышения боевой готовности, боевого применения, технической эксплуатации и обеспечения безопасности полетов ЛА с учетом климатогеографических условий Сибири, Забайкалья и Дальнего Востока» (г. Иркутск, 2003 г.); VII Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Королёвские чтения» (г. Самара, 2003 г.); X, XI, XII Всероссийских научных семинарах по управлению движением и навигации летательных аппаратов (г. Самара, 2001 г., 2003 г., 2005 г.); XIV Международном научном семинаре по современным технологиям в задачах управления, автоматики и обработки информации (г. Алушта, 2005 г.).

Основные теоретические положения, разработки и рекомендации, полученные в ходе выполнения работы, реализованы в научно-исследовательских работах и учебном процессе Сызранского высшего военного авиационного училища летчиков (военном институте), и в учебном процессе Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева.

Публикации. Основные научные положения, наиболее важные результаты и выводы, содержащиеся в работе, опубликованы в девяти работах.

Структура, объём и содержание диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка литературы, содержащего 103 наименования. Объем диссертации составляет 194 страницы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрена актуальность темы исследований и поставлена цель работы, заключающаяся в повышении точности и надежности навигации транспортных вертолетов за счет комплексирования ШНО и АП СРНС с учетом их конструктивных особенностей и условий эксплуатации. Определены задачи исследований, научная новизна, объект и предмет исследований, теоретическая и практическая ценность работы. Приведены результаты, выносимые на защиту, методы исследований, апробация результатов работы и основные публикации автора по теме диссертации, а также структура, объем и содержание диссертации.

Первая глава «Анализ проблемы навигации транспортных вертолетов с использованием СРНС» Здесь рассмотрены требования, предъявляемые к точности и надежности навигации транспортных вертолетов, навигационное обеспечение вертолетов и возможное использование информации от СРНС, а также области предпочтительного использования навигационного оборудования на различных режимах полета вертолета. Проанализированы факторы внешней среды и конструктивные особенности вертолета, отрицательно воздействующие на спутниковую радионавигацию. Рассмотрены возможности ШНО эксплуатирующихся транспортных вертолетов на различных скоростях и высотах с учетом детализации возможных режимов полета, а также участие АП СРНС в формировании общего массива требуемой навигационной информации при условии комплексного использования имеющегося оборудования. При соответствующем уровне подготовки экипажа на высотах более 50 метров и скоростях более 50 км/час ШНО вертолета обеспечивает весь объем необходимой навигационной информации для выполнения любых типов задач. На данных скоростях и высотах полета главная цель комплексирования ШНО и АП СРНС - улучшение качества решения задач на основе повышения точности навигационного обеспечения. На всех скоростях полета вертолета, на высотах менее 50 метров расширение круга задач, возлагаемых на вертолетную авиацию, приводит к пересмотру концепции навигационного обеспечения, так как на данных скоростях и высотах полета ШНО не может в полной мере удовлетворять условиям безопасного вертолетовождения. Одним из решений этой проблемы является комплексирование ШНО и АП СРНС. При этом главенствующей задачей для АП СРНС становится обеспечение надежности выдачи навигационных параметров.

Все источники помех СРНС можно условно разбить на две группы: факторы, оказывающие влияние независимо от области применения СРНС, и ошибки, обусловленные особенностями вертолетной авиации как отдельного класса ЛА. Вторая группа источников ошибок представляет наибольший интерес, так как она наименее изучена и практически не учитывается ни изготовителями АП, ни летным составом при выполнении полетов. В диссертации этому вопросу уделяется наибольшее внимание. Кроме того, с позиций интеграции АП в состав бортового НК вертолета перспективным является рассмотрение возможности применения таких систем для решения новых типов задач.

Во второй главе «Модели влияния основных возмущающих факторов на точность и надежность спутниковой радионавигации транспортных вертолетов» представлена система математических моделей, включающая модель движения вертолета, модель учета влияния атмосферных искажений и модель учета влияния НВ.

Уравнения движения вертолета записываются в виде: -mgsinO,

mdV-P X

Jx ^f = РгУр+ мхпи ~ РрвНР1

-mgcose~YCT,

dt

'PpB +

dt2

j , .

M7

где PHB - модуль вектора тяги HB вертолета; Рх,Ру,Рг - проекции вектора тяги НВ на оси скоростной системы координат; Ррв - модуль вектора тяги рулевого винта вертолета; Ха - аэродинамическая сила лобового сопротивления; Хф- боковая сила при скольжении влево; в - угол наклона траектории; 9,у/, у - Эйлеровы углы ориентации вертолета (тангаж, рысканье, крен); YCT- подъемная сила стабилизатора; т - масса вертолета; g - ускорение свободного падения; V - вектор воздушной скорости вертолета; Jx,Jr,Jz - составляющие момента инерции вертолета относительно осей вращения, МХш, MZm - составляющие момента от центробежных сил лопастей относительно осей скоростной системы координат, действующего при отклонении оси конуса вращения от оси вала несущего винта, возникающего из-за наличия разноса горизонтальных шарниров на втулке НВ; 1р,1Ст^рв'Ур'Кв ' плечи от линий действия сил относительно центра масс вертолета.

Необходимость рассмотрения модели влияния атмосферы при использовании АП СРНС на вертолете обусловлена соизмеримостью величины атмосферной погрешности для од-ночастотных навигационных приемников с высотой полета либо с предельно допустимыми значениями отклонений определения координат в горизонтальной плоскости при выполнении отдельных этапов полета.

Кроме того, одночастотная АП СРНС GPS может осуществлять коррекцию ионосферной погрешности на основании параметров модели Клобухара (Klobuchar), передаваемой в навигационном сообщении системы GPS. В отечественной системе ГЛОНАСС возможность коррекции ионосферной погрешности для одночастотного потребителя пока отсутствует.

Проведенный анализ погрешности, вызванной атмосферными искажениями радиосигнала от навигационного спутника, позволил разработать алгоритм учета этой погрешности на вертолете. Получены формулы, позволяющие оценить атмосферные искажения распространения радиоволн в зависимости от коэффициента преломления

Рис 1 Геометрия задачи математичгского моделирования влияния НВ соосной схемы

тропосферы и электронной концентрации ионосферы. Параметры аппроксимацион-ных моделей изменения электронной концентрации в дневное и ночное время предлагается уточнять перед взлетом вертолета, используя наземный сегмент вычисления атмосферных поправок, расположенный на аэродроме. Основанием этому является допущение, что для географического района Земли, соизмеримого с тактическим радиусом полета вертолета, значение коэффициента электронной концентрации в ионосфере остается постоянным. Были проведены экспериментальные исследования с реальной навигационной АП СРНС в точках с заранее известными координатами, при которых многократно вычислялись дальности от известной точки до навигационных спутников и выполнялось сравнение с измеренными значениями. Результаты показали, что при использовании предлагаемой модели учета атмосферных искажений остаточные погрешности находятся на уровне 35-40%.

Рассмотрение модели влияния НВ проведено для вертолета соосной схемы (с двумя несущими винтами). Составлена геометрия задачи математического моделирования помехи (рис.1) и временная зависимость средней амплитуды краевых волн (рис.2). Отличие модели соосной схемы от работ других авторов заключается в появлении волн двойного переотражения, обозначенных на рис. 1 как - дифракционный луч, переотраженный с кромки лопасти верхнего несущего винта на кромку нижнего несущего винта, и - дифракционный луч, переотраженный с кромки лопасти нижнего несущего винта на антенну приемника СРНС.

лб'Ф-х"«)

Рис 2 Временная зависимость средней амплитуды краевых волн Поле радионавигационного сигнала под несущим винтом представляется как: = и о (0+ £ ит (/) = А ехр[- ^ (/) сов(<р, (0 - п, ('))]*(*• + Ч>о, ('))+

у -А«Ф

2/2я^ 0>т а, (г) '

(1)

где ио - прямой радионавигационный сигнал; 11кр- дифракционная часть решения; Д, -амплитуда прямой волны; 5 - длина вдоль луча краевой волны - расстояние от точки

переотражения на кромки лопасти до приемной антенны СРНС; к ---волновое

Л

число;а- угол раствора конуса дифракционных лучей; /0- прямой луч; 1мф- дифракционный луч; В - бинормаль к кромке лопасти; <р - угол между проекцией дифракционного луча на секущую плоскость и бинормалью к кромке В; <р„- угол между

проекцией первичного луча на секущую плоскость (/„ ) и бинормалью к кромке В.

Сигнал на входе приемника описывается выражением:

с/(/)=М(')+2Х('), (2)

М) 1-0 1-0

где амплитуда прямого и дифракционного сигнала от навигационного

спутника; %{1,соШ1,ЯП11,Х11В) - функция экранирования, которая определяется только геометрическими факторами (радиусом - /?,,„ и хордой лопасти - Хив) и частотой вращения НВ - шив; £(/)- гауссовский стационарный шум; верхние индексы «В» и «Н» обозначают принадлежность к характеристикам верхнего либо нижнего НВ;

К

X А"" (')" слагаемое, обусловленное наличием волн двойного переотражения.

м>

Моделирование изменения средней амплитуды краевых волн для вертолета со-осной схемы позволяет сделать вывод, что для различных вариантов взаимного расположения навигационного спутника и приемной антенны на вертолете погрешность определения навигационных параметров, вызванная влиянием вращающихся соосных несущих винтов Дл^, по сравнению с аналогичной погрешностью для вертолета традиционной схемы (один несущий винт) Дп%„ будет находиться в диапазоне от (0,7-Ю,9) Дн£ до(1,8^2)ля».

В третьей главе «Экспериментальное исследование влияния основных возмущающих факторов на точностные характеристики навигации» приводится описание экспериментальной установки по исследованию влияния НВ вертолета, выбранные критерии подобия установки и реального НВ, результаты экспериментальных исследований и их сравнение с известными теоретическими результатами. Определены режимы полета вертолета, критические по отношению к влиянию НВ на точность навигации. Для уменьшения этого влияния приводятся рекомендации по размещению приемной антенны на вертолете.

Цель использования установки - создание наиболее полной картины влияния винта на прием сигналов СРНС, выявление параметров навигационной информации, наиболее подверженных этому влиянию, и уровня создаваемой помехи на различных режимах работы винта. Основным условием при проектировании и создании экспериментальной установки являлось максимальное приближение условий работы антенны приемника к реальной эксплуатации на вертолете Ми-8МТ. Геометрические размеры лопастей установки, а также расстояния взаимного расположения НВ установки и антенны СРНС выбирались, исходя из двух критериев подобия. Первый - отношение времени полного закрытия антенны хордой лопасти НВ вертолета к времени полного закрытия антенны хордой лопасти установки равно единице. Второй критерий подобия - отношение угла закрытия небесной сферы лопастью установки к углу закрытия небесной сферы лопастью реального НВ и отношение угла экранирования хордой лопасти на установке к углу экранирования хордой лопасти на реальном НВ равны единице.

Перед проведением экспериментальных исследований на установке был выполнен анализ влияния воздействия НВ вертолета на алгоритмы первичной и вторичной обработки информации в АП СРНС с целью ответа на вопрос — что из полученного в ходе компьютерного моделирования можно подтвердить выполнением натурного эксперимента. Данные, полученные в результате проведения экспериментальных исследований, и их сравнение с результатами компьютерного моделирования, использующего математическую модель, позволили сделать ряд важных выводов.

Сделан вывод о том, что конструктивная особенность вертолета - расположение приемной антенны под плоскостью вращения НВ -оказывает влияние на обработку сигналов АП СРНС. С точки зрения практического использования вертолета негативное влияние НВ проявляется в уменьшении количества навигационных спутников, использующихся при решении задачи месгоопределения (рис.3); увеличении погрешности вычисления горизонтальных координат и высоты полета, причем ошибка вычисления высоты в 1,5-2 раза больше, чем ошибка определения координат в плане; появлении дополнительной составляющей вектора скорости, переменной по направлению в горизонтальной плоскости и имеющей вертикальную составляющую (эффект псевдоснижения).

В сравнении с ШНО вертолета, величины рассматриваемых погрешностей невелики, и на основных режимах полета летчик может использовать СРНС без каких-либо поправок на конструктивные особенности. Однако, на отдельных этапах выполнения вертолетами специфических задач появляются режимы полета, на которых погрешность навигационных определений, вызванная экранированием приемной антенны плоскостью вращения НВ, оказывает существенное влияние на точность и целостность навигационного обеспечения. Данные режимы полета характеризуются малой скоростью (до 50 км/ч), малой высотой (до 50 метров), повышенными требованиями к точности определения плановых координат и высоты полета, использованием СРНС в качестве единственно возможного средства навигации. Устранение помехи от НВ алгоритмическим образом принципиально возможно, однако требует значительной переработки программного обеспечения приемоиндикатора, или введения дополнительных блоков промежуточной коррекции первичной обработки информации в АП. Это приведет к появлению нового класса спутниковых навигационных приемников, ориентированных сугубо на вертолетную авиацию. В настоящее время с точки зрения максимального приближения к реалиям эксплуатации вертолетов в нашей стране, экономической выгоды и быстрого внедрения наиболее оптимальным решением является вынос антенны навигационного приемника за плоскость вращения НВ.

В четвертой главе «Навигационное обеспечение транспортных вертолетов, основанное на комплексировании ШНО и аппаратуры спутниковой радионавигации» проведен анализ навигационного обеспечения для типовых режимов полета и простых маневров, характерных для всего диапазона высот и скоростей полета вертолета:

и Угол маски - 9,9 град

9

- - видимые НКА

- работающие НКА без влияния НВ

- работающие НКА с учетом влияния 11В

7 9 П 13 15 17 ¡9 21 1,ЧаСЫ

Рис 3 Уменьшение количества навигационных спутников, использующихся при решении задачи местоопределения

горизонтальный полет, вираж, набор высоты (снижение), спираль (восходящая и нисходящая), маневр скоростью (разгон и торможение), висение.

В работе предложен возможный вариант построения НК на основе совместного использования существующего ШНО вертолета курсо-доплеровского типа и АП СРНС. Для уточнения вариантов и схем интегрирования рассмотрены достоинства и недостатки комплек-

' Начальные

сируемого оборудования, приводятся модели погрешностей. Требуемый уровень точности навигационных определений, необходимый на вертолете, позволяет комплек-сировать оборудование на уровне вторичной обработки информации с применением слабосвязанной схемы ком-плексирования. Использование обобщенного критерия «точность - надежность» обусловливает выбор алгоритма

О ш

о в о о.

I-

о ф

о

> К^, А

установки

Я— и» и''

[Приемник «I СРНС

я™ = /с: +дя„ =н~"+«„ • я"

Баровысо томер

Радиовысо томер

су,АК'у.

1 Курсовая I ■I система Г

1 —Л

,дк?г=к„.

Радиоком пас

- = х"а"+ьх = х""+1{?

Вариометр

плисспзнссАЦг^

дисс

т н-ш с;

Рис.4 Схема информационных потоков

комплексирования, предусматривающего формирование и выдачу летчику навигационных параметров полета на основании данных от ШНО. Навигационная информация от СРНС используется для периодической коррекции данных ШНО, вычисления коэффициентов систематических погрешностей ШНО, а также в качестве дублирующей при отказе элементов ШНО. Схема информационных потоков в комплексируемом навигационном блоке приведена на рис.4. В вычислительном устройстве на основании данных параметров полета от комплексируемого навигационного оборудования происходит уточнение вектора навигационной информации спутникового навигационного приемника, расчет коэффициентов систематических ошибок ШНО и периодическая коррекция ШНО по АП СРНС. За счет этого повышается точность навигационного обеспечения на всех режимах работы комплексированной системы. Структурная схема работы вычислительного устройства представлена на рис.5. Совокупность навигационных параметров полета от АП СРНС поступает в линеаризованный фильтр Калмана Здесь происходит их уточнение с целью получения значений, принимаемых в дальнейшем за эталонные. Уравнения фильтра Калмана для оценки вектора фазовых переменных вертолета по измерения от АП СРНС имеют вид:

где д = {х,у,Н,К,№,УИ) - вектор фазовых переменных вертолета, /(?) - правая часть уравнений движения вертолета, 7 = ^Д^Д^Д^Л^) - вектор измере-

(3)

ний, поступающих из ЛП СРНС, - ковариационная матрица погрешностей вектора фазовых переменных вертолета, А^1 - матрица интенсивности шумов измерений.

В блоке вычисления систематических погрешностей на основании навигационных параметров, определяемых ШНО, и эталонных значений рассчитываются поправки ШНО.

Рис 5 Структурная схема работы вычислительного устройства

При этом используется следующая модель расчета: цю - - коэффициент систематической погрешности радиовысотомера;

с _ к^-к,^ _ коэффициент систематической ошибки курсовой системы; ^ д/

дтсс _ хтсс ~ хч-; дтсс утсс - К** . коэффициенты систематической погрешности

доплеровского измерителя скорости и угла сноса (ДИСС) в определении местоположения по осям ортодромической системы координат; МР = Игакх.-Иг - систематическая погрешность ДИСС в определении путевой скорости.

Рассчитанные коэффициенты систематических погрешностей от вычислительного устройства поступают к датчикам ШНО и используются для компенсации ошибок определения начального положения и уточнения навигационных параметров полета:

для радиовысотомера - нп = Ли—;

1 +

для курсовой системы-ккс = Ккс-^-^-{к^-ГС^);

где Нгв, Ккс, Хдисс, Уд,,сс, ^дисс - измерения, поступающие с ШНО;

Н,,в, Ккг, Хт,х, Уд„сс, - уточняемые параметры ШНО.

Для исследования точностных характеристик комплексированной навигационной системы рассматривается алгоритм фильтрации данных, поступающих с АП СРНС. С использованием упрощенной модели движения вертолета для типовых режимов полета и модели измерений в комплексирующем блоке составлены уравнения линеаризованного фильтра Калмана для оценки вектора фазовых переменных вертолета (3). Методом Монте-Карло проведено статистическое исследование повышения точности предложенной схемы комплексирования и алгоритмического обеспечения (400 испытаний с шагом 1 сек). Исследованы переходный процесс фильтрации, изменения оценок главных вероятностных характеристик параметров движения и оценок коэффициентов систематических ошибок ШНО (для ДИСС - рис. 6а, для курсовой системы - рис. 66). Из рисунков видно, что через 20 минут после начала полета система комплексирования переходит на установившийся режим работы по вычислению коэффициентов систематических погрешностей ШНО.

пшЮТи, пппп.. ,.вма, ,даоо

О 500 1000 1500 2000

Время,сек Время сек

(а) (б)

Рис 6 Оценка коэффициентов систематических ошибок ШНО

Исследовано повышение точности навигации при применении комплексированной навигационной системы (ШНО+СРНС) в сравнении с ШНО, работающим отдельно, по всем параметрам движения при выполнении типового полета «Полет в зону на простой пилотаж». Из полученных результатов следует, что наибольший выигрыш по точности достигается при определении параметров движения, корректируемых с учетом коэффициентов систематических погрешностей ШНО, нарастающих во времени. По сравнению с ДИСС численные значения повышения точности составляют = 200 метров на этапе набора высоты продолжительностью в 5 минут, = 2,9 км на этапе горизонтального полета (1 час полета) и = 7,5-8 км при выходе на конечный пункт маршрута 3 часа полета). Численные значения повышения точности определения курса по сравнению с курсовой системой для аналогичных временных интервалов составят: = 2,5-3° на этапе горизонтального полета (1 час полета) и до 7° при выходе на конечный пункт маршрута (= 3 часа полета).

В пятой главе «Исследование возможности применения спутниковой радионавигации при транспортировке груза на внешней подвеске вертолета» приводится общая характеристика задачи транспортировки груза на внешней подвеске. Обосновывается выбор алгоритма относительной спутниковой навигации применительно к рассматриваемой задаче. Методами статистического моделирования оценивается эффек-

тивность использования спутниковой радионавигации при выполнении вертолетом задачи транспортировки груза на внешней подвеске.

Приемник Передатчик

на грузе на грузе

ИНН

Приемник

на вертолете

Вертолет________

Рис.7 Структурная схема информационных потоков при транспортировке груза

Обеспечение летчика в полете дополнительной информацией о взаимном расположении вертолета, груза и земной поверхности позволит значительно облегчить выполнение задачи транспортировки вертолетом груза на внешней подвеске. Такое оборудование предлагается реализовать на базе двух приемников СРНС, радиолинии передачи данных и алгоритмов определения взаимного положения (рис. 7). Необходимый уровень точности вычисления вектора взаимного положения в[вх,ву,вг], характеризующего местоположение антенны спутникового навигационного приемника на грузе относительно антенны приемника на вертолете, достигается путем использования алгоритмов сильносвязанной схемы комплексирования (алгоритмов двойных разностей), где в качестве навигационного фильтра используется вычислитель из состава НК вертолета В результате двойного вычитания результатов первичной обработки информации устраняются наиболее значимые типы систематических погрешностей СРНС: уход бортового эталона времени приемника Ююа, влияние атмосферы Ют„ и неточности прогноза и расчета эфемерид навигационных спутников Система уравнений, составленная в предположении опроса минимально необходимого количества навигационных спутников, имеет вид:

43ст,.к

гг-п

= вх(х, -*3) + ег(у, -л)+«2(г, -23),

ддои

2 4 6 8 10 12 14 Аюса.

Рис.8 СКО вектора взаимного положения в

Для исследования точностных характеристик относительной спутниковой радионавигации использовался метод статистического моделирования. Результатом являются значения математического ожидания и среднеквадратичного отклонения (3<т), как модуля вектора взаимного положения в (рис.8), так и отдельно взятых проекций на оси системы координат, связанной с центром масс вертолета вх,ву,вг.

В заключительной части работы представлены основные результаты и выводы, полученные в ходе диссертационных исследований.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Обоснована целесообразность применения аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем на транспортном вертолете для решения новых типов задач, обусловливающих ужесточение требований по точности и надежности навигационного обеспечения. Выделены ошибки спутниковой радионавигации, обусловленные наличием несущего и рулевого винтов на вертолете.

2. Разработана модель учета влияния атмосферных искажений на прием сигналов от навигационных спутников и предложена методика компенсации тропосферных и ионосферных погрешностей на вертолете, использующая наземный сегмент вычисления атмосферных поправок. Комплексное использование предлагаемого подхода позволяет снизить величину погрешности от атмосферных искажений до 10% от первоначальных значений.

3. Разработана математическая модель влияния несущих винтов вертолета соосной схемы на прием сигналов от спутниковой системы навигации. Оценка относительного ухудшения точности навигации по сравнению с использованием несущего винта вертолета традиционной схемы составляет от 0,7 до 2 единиц в зависимости от взаимного расположения навигационного спутника, антенны навигационного приемника и несущих винтов вертолета

4. Выполнено экспериментальное исследование, подтвердившее результаты теоретических исследований влияния несущего винта на прием сигналов антенной спутниковой радионавигационной системы, проявляющееся в уменьшении количества работающих спутников из числа видимых (на 2-3); увеличении погрешности вычисления горизонтальных координат (до 10-12 метров) и высоты полета (до 15-17 метров); появлении дополнительной составляющей вектора скорости, переменной по направлению в горизонтальной плоскости и имеющей вертикальную составляющую (эффект псевдоснижения). В качестве технического решения проблемы влияния винта обоснован выбор места размещения антенны спутникового приемника на транспортном вертолете с учетом различных схем аэродинамической компоновки: традиционной (с несущим и рулевым винтами) и соосной (с двумя несущими винтами).

5. Предложена схема комплексирования штатного навигационного оборудования вертолета и спутникового навигационного приемника, включающая в себя блок учета атмосферных погрешностей и вычислительное устройство, реализующее алгоритм определения коэффициентов систематических ошибок штатного навигационного оборудования. Выполнено статистическое моделирование алгоритма навигации на примере типового полета «Полет в зону на простой пилотаж», определены параметры переходного и установившегося режимов работы комплексированной навигационной системы, показано существенное повышение точности навигации.

6. На базе двух навигационных приемников, методики определения взаимного положения сильносвязанной схемы и вычислителя из состава навигационного комплекса вертолета предложена система контроля взаимного положения вертолета, груза и земной поверхности с визуальным отображением информации, которая может рассматриваться как один из вариантов повышения безопасности выполнения вертолетом задачи транспортировки груза на внешней подвеске. Разработан алгоритм навигационного обеспечения, основанный на принципах относительной спутниковой ра-

1- 24 5? -245^:

дионавигации. Выполненное исследование алгоритма методом статистического моделирования показало, что значения оценок вектора относительного положения находятся в допустимых пределах технических характеристик используемых систем подвески груза

Основные публикации по теме диссертации

1. Моисейкин Д.А. Место и роль спутниковой навигации в повышении эффективности и надежности эксплуатации вертолетов // Управление движением и навигация летательных аппаратов: Сб. тр. X Всерос. науч.-техн. семинара по управлению движением и навигации летательных аппаратов: 4.1 / Самар. гос. аэрокосм. ун-т. Самара 2001. с.107-119.

2. Моисейкин Д.А. Перспективы применения спутниковых радионавигационных систем на вертолетах Ми-8 и Ми-24: Сб. науч. тр., Сызр. воен. авиац. ин-т. Сызрань, 2003. с. 81-86.

3. Белоконов И.В., Моисейкин Д.А. Полунатурные исследования экранирующего воздействия несущего винта вертолета на точность позиционирования при спутниковой радионавигации // Управление движением и навигация летательных аппаратов: Сб. тр. XI Всерос. науч.-техн. семинара по управлению движением и навигации летательных аппаратов / Самар. гос. аэрокосм. ун-т. Самара, 2003. с. 46-47.

4. Моисейкин Д.А. Проблемные вопросы использования систем спутниковой навигации на вертолетах // Сб. тр. XIII Всерос. науч.-техн. конференции «Проблемы повышения боевой готовности, боевого применения, технической эксплуатации и обеспечения безопасности полетов ЛА с учетом климатогеографических условий Сибири, Забайкалья и Дальнего Востока»: Ч.2., / Иркутский воен. авиац. инжен. ин-т. Иркутск, 2003. с.73-74.

5. Моисейкин ДА., Белоконов И.В. Исследование влияния несущего винта вертолета на надежность и точность навигации при использовании спутниковых радионавигационных систем: Сб. тр. «Королёвские чтения», Т.1., Самар. гос. аэрокосм. ун-т. Самара, 2004. с. 61-62.

6. Моисейкин Д.А., Собода С.А. Экспериментальная установка по анализу влияния несущего винта вертолета на точность навигационных определений: Сб. тр. «Королевские чтения» / Самар. гос. аэрокосм. ун-т. Самара 2004, с. 61-66.

7. Моисейкин Д.А., Попов В.А. Проблемы относительной навигации при транспортировке грузов вертолетом на внешней подвеске // Управление движением и навигация летательных аппаратов: Сб. тр. XII Всерос. науч.-техн. семинара по управлению движением и навигации летательных аппаратов / Самар. гос. аэрокосм. ун-т. Самара, 2005. с. 67-77

8. Моисейкин Д.А., Боровик А.Г. Развитие средств навигации ЛА: Сб. мат-лов науч,-практич. конф. / Сызр. высш. воен. авиац. уч-ще. летч. (воен. ин-т.) Сызрань, 2005. с. 612.

9. Моисейкин Д.А. Оценка эффективности совместного использования спутникового навигационного приемника и штатного навигационного оборудования вертолета // Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации: Труды XIV Междун. научн.-техн. семинара, г. Алушта, Крым - Самара: Самар. гос. аэрокосм. ун-т., 2005. - с.231.

Подписано в печать 26. 12. 2005. Формат 60*84/16 Усл. Печ. Л. 1,00. Тираж 100 экз

Отпечатано с готовых оригинал-макетов СГАУ

Введение

Содержание

Глава 1. Анализ проблемы навигации транспортных вертолетов с использованием

СРНС.

1.1 Требования, предъявляемые к точности и надежности навигации транспортных вертолетов на различных режимах полета.

1.2 Навигационное обеспечение вертолетов и возможное использование информации от СРНС.

1.3 Внутренние источники помех и факторы внешней среды, влияющие на спутниковую радионавигацию.

1.3.1 Инструментальные ошибки.

1.3.2 Влияние атмосферы.

1.3.3 Многолучевость распространения радиосигнала.

1.3.4 Ошибки, вызванные погрешностями эфемерид навигационных спутников • • • •

1.3.5 Влияние геометрии созвездия навигационных спутников.

1.3.6 Модельные ошибки при спутниковой радионавигации.

1.3.7 Влияние сторонних радиосигналов.

1.4 Влияние конструктивных особенностей вертолета при использовании СРНС.

1.5 Области предпочтительного использования навигационного оборудования на различных режимах полета вертолета.

Выводы по первой главе.

Глава 2 Модели влияния основных возмущающих факторов на точность и надежность спутниковой радионавигации транспортных вертолетов • • •

2.1 Модель движения вертолета.

2.1.1 Системы координат.

2.1.2 Модель движения вертолета как объекта управления.

2.1.3 Упрощенные модели движения на типовых режимах полета.

2.2 Модель учета влияния атмосферных искажений.

2.2.1 Тропосферные искажения.

2.2.2 Ионосферные искажения.

2.2.3 Методика учета атмосферной погрешности на вертолете.

2.3 Модель учета влияния несущего винта.

Выводы по второй главе

Глава 3 Экспериментальное исследование влияния основных возмущающих факторов на точностные характеристики навигации.

3.1 Экспериментальная установка для исследования влияния несущего винта на точность навигации.

3.1.1 Назначение и цель эксперимента.

3.1.2 Критерии подобия условий эксперимента.

3.1.3 Конструкция экспериментальной установки.

3.2 План и результаты экспериментальных исследований

3.3 Режимы полета вертолета, критические по отношению к влиянию несущего винта на точность навигации.

3.4 Рекомендации по размещению антенны СРНС на транспортном вертолете.

Выводы по третьей главе.

Глава 4 Навигационное обеспечение транспортных вертолетов, основанное на комплексировании ШНО и аппаратуры спутниковой радионавигации • *

4.1 Модели погрешностей измерений ШНО.

4.2 Выбор и обоснование слабосвязанной схемы комплексирования ШНО и аппаратуры потребителей СРНС.

4.3 Алгоритм определения систематических ошибок ШНО по сигналам СРНС.

4.4 Алгоритм фильтрации измерений для типовых режимов полета.

4.5 Численное исследование точностных характеристик предложенной схемы комплексирования.

Выводы по четвертой главе.

Глава 5 Исследование возможности применения спутниковой радионавигации при транспортировке груза на внешней подвеске вертолета.

5.1 Характеристика задачи транспортировки груза на внешней подвеске.

5.2 Алгоритм относительной спутниковой радионавигации применительно к задаче транспортировки груза на внешней подвеске.

5.3 Оценка точностных характеристик спутниковой радионавигации при выполнении вертолетом задачи транспортировки груза на внешней подвеске.

5.4 Методика реализации относительной радионавигации при транспортировке грузов- • •

Выводы по пятой главе.

Развитие экономики и государства требует интенсификации грузоперевозок, а так же повышения мобильности граждан. Это приводит к повышению числа воздушных и, в частности, вертолетных перевозок. Зачастую вертолет является единственно возможным средством доставки людей и грузов. В условиях Крайнего Севера, при полетах над водным пространством особенно остро встает проблема навигации и определения местоположения.

В Европейской части России, а так же в других густо населенных районах эта проблема рассматривается в другом аспекте. Необходимым условием успешного функционирования и развития авиации является рациональное использование сил и средств, то есть сокращения времени авиаперевозок за счет уменьшения расхода топлива и горючесмазочных материалов. Это приводит к повышению плотности воздушного движения на кратчайших маршрутах и экономических эшелонах, что вызывает необходимость сужения воздушных коридоров. При этом требования безопасности воздушного движения и экономичности полетов воздушных судов (ВС) вступают в определенное противоречие, что требует совершенствования систем навигации и управления воздушным движением.

Так же актуальна проблема навигационных определений в Вооруженных Силах и, в частности, в армейской авиации. Опыт ведения боевых действий в Афганистане, в Чеченской республике, в других зонах локальных военных конфликтов показал, что точность определения местоположения непосредственно влияет на время выполнения боевой задачи. Ситуация усугубляется необходимостью выполнения полетов днем и ночью, в любых метеорологических условиях, а так же возможностью изменения полетного задания на маршруте.

В настоящее время основу вертолетного парка России составляют различные модификации транспортных вертолетов Ми-8 и транспортно-боевого вертолета Ми-24 конструкции КБ Миля и транспортно-боевые вертолеты Ка-27, Ка-26 и Ка-29, конструкции КБ Камова, выполняющие задачи в интересах военно-морского флота. За более чем двадцатилетнюю историю использования этих летательных аппаратов (JIA), их штатное навигационное оборудование (ШНО) практически не изменилось. Навигационные комплексы на вертолетах отсутствуют, а основным методом местоопределения остается визуальная ориентировка.

Учитывая постоянно расширяющийся круг задач, возлагаемых на вертолетную авиацию, можно определить совершенствование навигационного оборудования вертолета как первоочередную задачу.

Выход из сложившейся ситуации видится в использовании аппаратуры потребителей (АП) спутниковых радионавигационных систем (СРНС). В настоящее время работают две системы: американская - GPS (Navstar) [24] и российская - ГЛОНАСС [22]. Каждая из них воплотила в себя новейшие достижения компьютерных и телекоммуникационных технологий. Современная аппаратура потребителей СРНС - это симбиоз спутниковой системы позиционирования, современной радиосвязи и электронной картографии, позволяющая определять местоположение и скорость летательного аппарата, вычислять расстояния, прокладывать маршруты и отслеживать их соблюдение, получать справки о картографических объектах. При этом требуемая точность находится на уровне десятков метров, а степень надежности позволяет на некоторых типах летательных аппаратов (вертолеты, легкие и спортивные самолеты) рассматривать спутниковую систему навигации в качестве основного средства навигации. Опыт постановки АП СРНС на тяжелые транспортные и пассажирские самолеты подтвердил высокую эффективность этих систем и значительно расширил возможности навигационных комплексов JIA. Сами спутниковые радионавигационные системы относятся к одной из наиболее динамично развивающихся областей радиотехники. Подтверждением этого является эволюция и серьезная модернизация системы GPS, создание таких широкозональных дополнений СРНС, как WAAS, EGNOS, MSAS на основе наземных станций контроля и геостационарных космических аппаратов. С их помощью реализуется дифференциальный режим работы спутниковых систем, позволяющий на порядок снизить значения среднеквадратического отклонения (СКО) навигационных параметров. Качественно новым витком в развитии СРНС являются работы стран Европейского Союза по созданию Европейской глобальной спутниковой радионавигационной системы «Галилео».

Переход полностью на спутниковую технологию, позволяющую в принципе решать задачи навигации на всех этапах полета, в нашей стране сдерживается тем, что орбитальная группировка космических аппаратов (КА) отечественной СРНС ГЛОНАСС развернута не полностью, а общедоступность СРНС GPS становится «двоякой» после заявления Министерства обороны США о возможности намеренного загрубления данных системы над тем или иным регионом, в зависимости от внешнеполитической обстановки. При этом важное значение приобретают вопросы комплексирования СРНС ГЛОНАСС с полностью развернутой СРНС GPS и с другими навигационными средствами, в частности, радионавигационными средствами с наземным базированием опорных станций и с инер-циальными навигационными системами.

Применение систем спутниковой радионавигации на российских вертолетах началось с середины 90-х годов, и ограничивалось использованием дешевых приемников, в основном зарубежного производства, выполняющих простые навигационные задачи и осуществляющих лишь коррекцию места. В настоящее время, наряду с более современными, 12-ти канальными приемниками зарубежного производства (GPS-12, GPS-12XL, GPS-195 фирмы Garmin), проходят испытания российские образцы вертолетных навигационных комплексов, использующих аппаратуру приема СРНС («АБРИС» - ЗАО "Кронштадт"). С учетом перспектив финансирования и внедрения новых типов вертолетов, а так же реальных потребностей вертолетной авиации можно выделить два наиболее вероятных пути внедрения спутниковых систем навигации:

1. Размещение отдельных блоков многофункциональных приемников, предусматривающих отображение информации на фоне цифровой электронной карты с выбираемым масштабом и возможности дополнительного определения некоторых навигационных параметров (вектора ветра и др.), работающих автономно от штатного навигационного оборудования вертолета.

2. Ввод АП СРНС в состав штатного бортового оборудования вертолетов на основе комплексирования его со штатными навигационными комплексами курсо-доплеровского типа.

Одновременно с появлением навигационных приемников на вертолетах, начинается теоретическое рассмотрение вопросов их использования, с целью расширения области применения. К таким работам, например, относятся исследования влияния несущего винта (НВ) вертолета на прием радионавигационных сигналов от спутников, проведенные группой ученых во главе с профессором Рубцовым В.Д.; разработка интегрированной навигационной системы, предназначенной для установки на вертолетах UH - 60 A/L "Блэк Хоук" и СН - 47 D "Чинук", включающей GPS приемник и облегченный доплеровский навигационный измеритель, выполненная X. Бьюилом и JI. Олейником; проектирование интегрированной навигационной системы вертолета на базе бесплатформенной инерциальной навигационной системы, многоканального приемника СРНС и радиолокационной станции для решения задачи огибания рельефа местности на предельно малых высотах полета, проведенное группой авторов под руководством Красилыцикова М.Н. Однако, в выполненных в этой области работах не были рассмотрены следующие вопросы: влияние конструктивных особенностей вертолета при использование соосной схемы с двумя НВ, а также отличие номинальных режимов полета вертолета и условий его эксплуатации от других типов летательных аппаратов (ДА), что существенно влияет на прием навигационных сигналов АП СРНС; оценка эффективности комплексирования спутниковых навигационных приемников со штатной навигационной аппаратурой курсо-доплеровского типа; навигационное обеспечение задачи транспортировки груза на внешней подвеске вертолета.

Таким образом, актуальность темы исследования обусловлена:

Во-первых, повышением роли вертолетной авиации как наиболее эффективного средства доставки людей и грузов в места с ограниченными размерами взлетно-посадочными полос или на необорудованные площадки и следовательно, расширением круга задач, решаемых с помощью вертолетов.

Во-вторых, перспективой существенной модернизации имеющихся вертолетных навигационных комплексов в связи с возрастанием требований по точности, надежности и доступности навигационного обеспечения авиации и вертолетов.

В-третьих, необходимостью рассмотрения вопросов оценки эффективности использования аппаратуры потребителей СРНС на вертолетах, исходя из их конструктивных особенностей.

В-четвертых, отличием режимов полета вертолета и условий его эксплуатации от других типов J1A, что существенно влияет на прием навигационных сигналов аппаратурой СРНС.

Поэтому необходимо рассмотрение вопросов применения спутниковой радионавигации на транспортных вертолетах с целью повышения эффективности использования перспективных методов навигационного обеспечения полетов, исходя из специфики задач и условий их эксплуатации.

Объектом исследования является навигационное обеспечение российских транспортных вертолетов при использовании аппаратуры СРНС.

Предмет исследования: принципы и алгоритмы комплексирования ШНО вертолета с аппаратурой СРНС, расширяющие области использования вертолета, повышающие безопасность его эксплуатации и качество решаемых задач.

Цель исследования: повышение точности и надежности навигации транспортных вертолетов за счет комплексирования ШНО и АП СРНС с учетом их конструктивных особенностей и условий эксплуатации.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1. Анализ проблемы навигации транспортных вертолетов с использованием СРНС.

2. Разработка модели влияния основных возмущающих факторов на точность и надежность СРНС транспортных вертолетов.

3. Экспериментальное исследование влияния основных возмущающих факторов на точностные характеристики навигации.

4. Разработка схемы и алгоритма комплексирования штатного навигационного оборудования и аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем. 5. Разработка навигационного алгоритма для выполнения вертолетом задачи транспор-. тировки груза на внешней подвеске при использовании АП СРНС.

Методические и научно-теоретические основы исследования при решении перечисленных задач использовались методы системного анализа, прикладные методы теории вероятностей и теории случайных процессов, методы оптимальной фильтрации и математического моделирования, положения теории подобия. При выполнении работы проведены полунатурные эксперименты с последующей обработкой полученных результатов с помощью теории случайных процессов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель влияния несущих винтов вертолета соосной схемы на прием сигналов антенной спутникового навигационного приемника на основе известной модели влияния НВ традиционной схемы.

2. Разработана модель и методика учета атмосферных искажений, которые, в отличие от существующих позволяют вычислять аналитические поправки псевдодальности и псевдоскорости применительно к рассматриваемым режимам полета вертолета.

3. Разработан алгоритм навигационного комплексирования спутникового приемника и штатного навигационного оборудования вертолета курсо-доплеровского типа, и соответствующая функциональная схема.

4. Разработан алгоритм навигационного обеспечения при решении задачи транспортировки груза на внешней подвеске вертолета, основывающийся на принципах относительной спутниковой радионавигации, и соответствующая схема.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Математическая модель влияния несущих винтов соосной схемы и результаты экспериментальных исследований влияния несущего винта вертолета традиционной схемы на прием сигналов АП СРНС.

2. Схема комплексирования штатного навигационного оборудования вертолета со спутниковым навигационным приемником и алгоритм навигационных определений.

3. Алгоритм навигации при транспортировке грузов на внешней подвеске вертолета.

4. Рекомендации по повышению точности и надежности навигационных определений при использовании на вертолете АП СРНС.

Практическая значимость исследования:

1. По результатам исследований выработаны практические рекомендации по размещению и использованию АП СРНС на вертолете, учет которых позволит повысить точность и надежность навигации.

2. Создание навигационных комплексов на основе предложенных алгоритма и схемы комплексирования штатного оборудования и СРНС обеспечит летчика навигационной информацией на качественно новом уровне, позволяющем решать практически все типы задач, возлагаемые на вертолеты.

3. Применение алгоритмов определения взаимного положения на основе двух навигационных приемников повысит безопасность транспортировки грузов на внешней подвеске вертолета.

Достоверность и обоснованность диссертационного исследования диссертационного исследования обеспечивается корректностью математической постановки задачи, строгостью применяемых методов решения и обоснованностью методики проведения экспериментов, сопоставлением полученных численных результатов экспериментальных исследований с результатами статистического моделирования.

Апробация результатов исследования и основные публикации.

Основные научные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

XIII Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы повышения боевой готовности, боевого применения, технической эксплуатации и обеспечения безопасности полетов JIA с учетом климатогеографических условий Сибири, Забайкалья и Дальнего Востока» (г. Иркутск, 2003 г.);

VII Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Королевские чтения» (г. Самара, 2003 г.)

X, XI, XII Всероссийских научных семинарах по управлению движением и навигации летательных аппаратов (г. Самара, 2001 г., 2003 г., 2005 г.);

XIV Международном научном семинаре по современным технологиям в задачах управления, автоматики и обработки информации (Алушта, 2005 г.).

Основные теоретические положения, разработки и рекомендации, полученные в ходе выполнения работы, реализованы в научно-исследовательских работах и учебном процессе Сызранского высшего военного авиационного училища летчиков (военном институте), учебном процессе Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева.

Основные научные положения, наиболее важные результаты и выводы, содержащиеся в работе, опубликованы в девяти работах.

Структура, объём и содержание диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка литературы, содержащего 103 наименования. Объем диссертации составляет 194 страницы.

Выводы по пятой главе:

1. Система определения взаимного расположения вертолета, груза и земной поверхности, реализованная на базе двух приемников системы спутниковой навигации, линии передачи данных и алгоритмов определения взаимного положения, существенно облегчит выполнение задачи транспортировки груза на внешней подвеске за счет обеспечения летчика дополнительной информацией.

2. С точки зрения требуемой точности определения координат вектора взаимного положения вертолета и груза в предлагаемой системе наиболее целесообразно применение алгоритма сильносвязанной схемы (алгоритма двойных разностей), использующей результаты первичной обработки информации, так как при этом устраняются наиболее значительные погрешности вычисления псевдодальностей до навигационного спутника: уход бортового эталона времени приемника, влияние атмосферы и неточности прогноза эфемерид спутников.

3. Анализ результатов статистического моделирования показывает, что значения математического ожидания и среднеквадратичного отклонения вектора взаимного положения вертолета и груза удовлетворяют требованиям по точности в рассматриваемой системе.

4. Использование дисплея и предупредительного табло значительно эргономизирует систему определения взаимного положения, а применение автоматизации управления грузом повышает коэффициент безопасности выполнения данного типа полетов.

154 Заключение

Диссертация содержит решение актуальной научной задачи повышения эффективности использования спутниковой радионавигации на транспортных вертолетах.

В результате проведенных исследований сформулированы следующие выводы:

1. Обоснована целесообразность применения аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем на транспортном вертолете для решения новых типов задач, обусловливающих ужесточение требований по точности и надежности навигационного обеспечения. Выделены ошибки спутниковой радионавигации, обусловленные наличием несущего и рулевого винтов на вертолете.

2. Разработана модель учета влияния атмосферных искажений на прием сигналов от навигационных спутников и предложена методика компенсации тропосферных и ионосферных погрешностей на вертолете, использующая наземный сегмент вычисления атмосферных поправок. Комплексное использование предлагаемого подхода позволяет снизить величину погрешности от атмосферных искажений до 10% от первоначальных значений.

3. Разработана математическая модель влияния несущих винтов вертолета соосной схемы на прием сигналов от спутниковой системы навигации. Оценка относительного ухудшения точности навигации по сравнению с использованием несущего винта вертолета традиционной схемы составляет от 0,7 до 2 единиц в зависимости от взаимного расположения навигационного спутника, антенны навигационного приемника и несущих винтов вертолета.

4. Выполнено экспериментальное исследование, подтвердившее результаты теоретических исследований влияния несущего винта на прием сигналов антенной спутниковой радионавигационной системы, проявляющееся в уменьшении количества работающих спутников из числа видимых (на 2-3); увеличении погрешности вычисления горизонтальных координат (до 10-12 метров) и высоты полета (до 15-17 метров); появлении дополнительной составляющей вектора скорости, переменной по направлению в горизонтальной плоскости и имеющей вертикальную составляющую (эффект псевдоснижения). В качестве технического решения проблемы влияния винта обоснован выбор места размещения антенны спутникового приемника на транспортном вертолете с учетом различных схем аэродинамической компоновки: традиционной (с несущим и рулевым винтами) и соосной (с двумя несущими винтами).

5. Предложена схема комплексирования штатного навигационного оборудования вертолета и спутникового навигационного приемника, включающая в себя блок учета атмосферных погрешностей и вычислительное устройство, реализующее алгоритм определения коэффициентов систематических ошибок штатного навигационного оборудования. Выполнено статистическое моделирование алгоритма навигации на примере типового полета «Полет в зону на простой пилотаж», определены параметры переходного и установившегося режимов работы комплексированной навигационной системы, показано существенное повышение точности навигации.

6. На базе двух навигационных приемников, методики определения взаимного положения сильносвязанной схемы и вычислителя из состава навигационного комплекса вертолета предложена система контроля взаимного положения вертолета, груза и земной поверхности с визуальным отображением информации, которая может рассматриваться как один из вариантов повышения безопасности выполнения вертолетом задачи транспортировки груза на внешней подвеске. Разработан алгоритм навигационного обеспечения, основанный на принципах относительной спутниковой радионавигации. Выполненное исследование алгоритма методом статистического моделирования показало, что значения оценок вектора относительного положения находятся в допустимых пределах технических характеристик используемых систем подвески груза.

1. Агаджанов П.А., Воробьев В.Г., Кузнецов А.А. Автоматизация самолетовождения и управления воздушным движением. М.: Транспорт, 1980. — 270 с.

2. Агафонова С.Е. Разработка адаптивного алгоритма выбора созвездий навигационных спутников для многоканальной приемной аппаратуры: Дис. на соиск. учен. ст. канд. тех. наук. Самара, СГАУ, 2001. - 395 с.

3. Анализ эффективности использования приемоиндикатора СРНС в качестве позиционного корректора штатного радионавигационного оборудования ВС // Научный вестник МГТУ ГА. Сер. радиофизика и радиотехника. 2001. - №39. - С. 65-73

4. Аппаратура радионавигационных систем ГЛОНАСС и GPS. Системы координат. Методы предвычислений координат определяемых точек. Государственный стандарт РФ (проект). Госстандарт России, 1997.

5. ГОСТ 4401-81. Атмосфера стандартная. Параметры. М.: Издательство стандартов, 1981.-52 с.

6. Безручко В.Н., Гуденко В.В. Радиоэлектронное оборудование вертолетов. М.: Военное издательство, 1978. - 356 с.

7. Белоконов И.В. Планирование спутниковой радионавигации для космических систем дистанционного зондирования Земли: Дис. на соиск. учен. ст. докт. тех. наук. Самара, СГАУ, 1999. - 456 с.

8. Бессонов В.В. Пояснительная записка к дипломному проекту на тему:

9. Высокоточное определение относительного положения близко летящих космических аппаратов при использовании спутниковых радионавигационных систем. Куйбышев, Авиационный институт, 1994. - 120 с.

10. Бибаев Н.Ю. Практическая аэродинамика вертолетов Ми-8Т, Ми-8МТ: Учебное пособие. Уфа, УВАИ, 1994. - 256 с.

11. Брославец Ю.Ю., Фомичев А.А., Колчев А.Б., Успенский В.Б. Имитационная модель движения летательного аппарата // Журнал РАН ТНТУ. — М., 2001. -№10. С. 107-109. Буга Н.Н. Некоторые вопросы помехоустойчивости систем связи. - Ленинград, 1966. -160 с.

12. Вертолет Ми-8МТ: Учебное пособие по изучению инструкции экипажу. Уфа: Типография УВВАУЛ, 1996. - 356 с.

13. Власюк Н.И. Радиоэлектронное оборудование вертолетов Ми-8Т и его летная эксплуатация: Учебное пособие. М., 1982. - 257 с.

14. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС, интерфейсный контрольный документ (редакция пятая). КНИЦ ВКС. М., 2002. - 55 с.

15. Гребенников А.В., Казанцев М.Ю., Фатеев Ю.Л. Оценка задержки сигналов ГЛОНАСС и GPS в ионосфере по одночастотным измерениям // Сб. тр. IX Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. СПб., 2002.-С. 25-33.

16. Global Position System Standard poisoning service signal specification. 2nd Edition. June 2 1995.

17. Дмитриев С.П., Колесов Н.В., Осипов А.В. Надежность навигационной системы с учетом информационных отказов // Сб. статей и докладов: интегрированные инерциально2829,30