автореферат диссертации по транспорту, 05.22.13, диссертация на тему:Повышение точности и надежности измерений в комплексированных спутниковых навигационных системах методом двойного усреднения

На правах рукописи

Нечаев Евгений Евгеньевич

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ В КОМПЛЕКСИРОВАННЫХ СПУТНИКОВЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ МЕТОДОМ ДВОЙНОГО УСРЕДНЕНИЯ

Специальность 05.22.13 - Навигация и управление воздушным движением

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 МДР 2011

Москва-2011

4841009

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете гражданской авиации

Научный руководитель доцент, доктор технических наук

Горбачев O.A.

Официальные оппоненты профессор, доктор технических наук

Рубцов В.Д.,

кандидат технических наук Пряхин Б. С.

Ведущая организация Санкт-Петербургский государственный

университет гражданской авиации

Защита состоится » tÜffßfttf 2011 года на заседании диссертационного совета Д 223.011.01 при Московском государственном техническом университете гражданской авиации (Ml ТУ ГА) по адресу: ГСП-3,125993, г. Москва, Кронштадтский бульвар, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ ГА.

Автореферат разослан » 2011 года

Заверенный отзыв просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета Л223.011.01,

профессор, доктор технических наук Кузнецов C.B.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Научное и практическое решение проблем навигации и управления воздушным движением (УВД) состоит в разработке новых методов, технологий, систем и средств повышения эффективности процессов навигации и УВД.

Несомненно, что тематика, связанная с повышением точности и надежности спутниковых навигационных систем в настоящее время является актуальной. Все навигационные системы в зависимости от типа используемых источников информации делятся на автономные и неавтономные.

К автономным системам относятся инерциальные навигационные системы (ИНС). Принцип работы ИНС основан на интегрировании значений ускорений воздушного судна (ВС) по трем осям координат, что позволяет определить местоположение ВС, а с помощью дальнейших преобразований и другую необходимую для решения задач навигации информацию. Для такой системы характерно возрастание погрешности определения координат в зависимости от времени полета ВС. Данная погрешность определяется как величина «ухода», подсчитанного с помощью ИНС местоположения ВС от фактического местоположения за один час полета. В «Руководстве по требуемым навигационным характеристикам» приводится номинальное значение данной величины, равное 1,5...2 морским милям за час ( ~ 2,8...3 км за час), но, как показывает практика, современные инерциальные системы обеспечивают более высокую точность. Несмотря на это, инерциальные навигационные системы не могут применяться в «чистом» виде, без использования специальных корректирующих алгоритмов.

К неавтономным навигационным системам можно отнести аппаратуру всенаправленного азимутального радиомаяка (РМА, англ. VHF Omnidirectional Radio Range, VOR), всенаправленного дальномерного радиомаяка (РМД, англ. Distance Measuring Equipment, DME), совместную систему РМА/РМД (VOR/DME), глобальные навигационные спутниковые системы (англ. Global navigation satellite system - GNSS).

Постоянное возрастание интенсивности воздушного движения (ВД) привело к тому, что воздушных трасс, проходящих через радиомаяки и имеющих ограниченную пропускную способность, во многих регионах страны, особенно в крупных узловых центрах (например, в Московском регионе) стало явно недостаточно. Специалисты стали рассматривать возможность организации ВД по произвольным траекториям, причём не обязательно проходящим через радиомаяки. Такой тип навигации получил название «зональная навигация» (англ. Area navigation, RNAV).

Впоследствии, для целей навигации взамен радиомаячных систем стали применяться инерциальные системы, спутниковые навигационные системы и их комбинации, исключая, таким образом, само понятие навигации в какой-либо зоне, но, несмотря на это, термин «зональная навигация» сохранился.

В соответствии с концепцией ICAO CNS/ATM оборудование зональной навигации в ближайшем будущем будет организовано на базе спутниковых навигационных систем (СНС).

Оборудование СНС имеет ряд неоспоримых преимуществ, перед традиционными навигационными системами:

- глобальность и непрерывность действия;

- возможность применения специальных методов для увеличения точности определения местоположения воздушного судна (например, для целей захода на посадку);

- независимость работоспособности системы от внешних факторов.

Условно можно разделить всю систему погрешностей при использовании информации СНС на два типа:

1. Погрешности оборудования приемника и передатчика.

2. Погрешности среды распространения сигнала.

Погрешности оборудования приемника и передатчика легко поддаются выявлению и вычисляются в процессе обработки сигнала.

Погрешности среды распространения сигнала, в первую очередь, зависят от сезона, времени суток, метеоусловий, уровня геомагнитной и солнечной активности. Однако, в любое время основным источником погрешностей при определении местоположения ВС с использованием спутниковых навигационных систем являются ионосфера и тропосфера. При этом также известно, что ионосфера большую часть времени находится в возмущенном состоянии, что приводит к увеличению погрешности определения местоположения ВС и сбоям СНС.

В связи с последовательным введением концепции ICAO CNS/ATM значительно ужесточились требования к навигационному обеспечению ВС, что приводит к необходимости решения задач повышения точности определения навигационных параметров, т.е. снижению влияния погрешностей.

Следовательно, возникает актуальная научная проблема совершенствования навигационных систем для воздушного транспорта, чему и посвящена настоящая работа, целью которой является совершенствование существующих навигационных систем ВС путем повышения точности и надежности определения местоположения ВС во время всего цикла полета.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Анализ требуемых навигационных характеристик и используемой в настоящее время навигационной аппаратуры с целью определения основных составляющих погрешностей измерений.

2. Разработка математической модели метода снижения погрешностей с помощью инструментов статистического и математического моделирования.

3. Реализация математической модели в виде программного комплекса с возможностью обработки различных исходных данных.

4. Анализ существующей элементной базы для аппаратной реализации программного комплекса.

4

5. Оценка способов включения полученного программно-аппаратного комплекса обработки навигационной информации в состав существующего навигационного оборудования.

6. Экспериментальные исследования для оценки правильности предложенной методики уменьшения погрешностей определения местоположения ВС.

7. Проведение экспериментальных исследований для оценки предложенного метода при программной симуляции движения ВС по маршруту.

Объект исследования - погрешность при определении местоположения ВС с применением комплексированных спутниковых навигационных приемников.

Предметом исследования являются способы уменьшения погрешности определения местоположения ВС в комплексированных СНС.

Методы исследования: теоретический научный метод, системный анализ, теория порядковых статистик, эмпирический анализ, методы программирования на языках высокого уровня, математические методы обработки информации.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней:

1. Предложен новый метод комплексирования спутниковых навигационных приемников - метод двойного усреднения. По данному методу разработан алгоритм вычислений.

2. Теоретически обоснована и доказана с помощью статистических вычислений применяемость разработанного алгоритма для уменьшения погрешности при комплексировании спутниковых навигационных систем.

3. Разработана программно-аппаратная модель алгоритма вычислений по методу двойного усреднения, и предложена методика интегрирования аппаратуры на базе программно-аппаратной модели и навигационного комплекса современных ВС.

4. Выполнены экспериментальные исследования в области оценивания адекватности разработанной программно-аппаратной модели при управлении воздушным движением.

5. Доказано теоретически и экспериментально улучшение точности и надежности работы комплексированных навигационных систем при использовании метода двойного усреднения.

Практическая значимость работы заключается в возможности:

1. Увеличить точностные характеристики определения местоположения ВС в пространстве без применения специализированных функциональных дополнений спутниковых навигационных систем за счет использования в бортовых вычислителях предложенного метода двойного усреднения.

2. Увеличить интенсивность движения ВС за счет сокращения интервалов эшелонирования.

3. Повысить уровень безопасности полетов за счет более точного определения местоположения ВС в пространстве.

Основные положения, выносимые на защиту следующие:

1. Метод обработки навигационной информации от трех спутниковых навигационных приемников.

2. Результаты теоретического исследования и моделирования по разработанному программно-аппаратному комплексу для обработки навигационной информации.

3. Методика эксперимента и экспериментальные исследования по выбору места расположения трех одночастотных приемников GPS с имитацией их размещения на борту ВС.

Апробация и публикация работы

Результаты проведенных исследований докладывались на международных, всероссийских и внутривузовских конференциях, в том числе:

- Международной научно-технической конференции, посвященной 85-летию гражданской авиации России (Москва, МГТУ ГА, 2008);

- Всероссийской конференции молодых ученых и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике-2008» (Москва, МАИ, 2008);

- Международной научно-технической конференции «Информационно-вычислительные технологии и их приложения» (Пенза, ПГСХА, 2008);

- XXTV Всероссийской конференции обучающихся «Национальное достояние России» (Москва, 2009);

- Международном Форуме по проблемам науки, техники и образования (Москва, 2008);

- 5-й международной молодежной научно-технической конференции «Современные проблемы радиотехники и коммуникаций» (Украина, Севастополь, 2009);

- IX Международной научно-технической конференции «Авиа-2009» (Украина, Киев, 2009);

- научно-технической конференции, посвященной 80-летию со дня рождения д.т.н., профессора, заслуженного деятеля науки и техники РСФСР П.А. Бакулева (Москва, МАИ, 2008).

Публикации

По материалам диссертации опубликованы 13 работ, из которых 4 включены в издание, входящее в перечень изданий, рекомендованных ВАК для опубликования основных научных результатов диссертации.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 82 наименований и приложения. Основная часть диссертации содержит 46 рисунков, 15 таблиц и 3 листинга программ.

Общий объем работы 183 страницы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлено обоснование актуальности темы исследования, сформированы цель и задачи исследования, изложена структура диссертации.

Первая глава содержит основные сведения о применении спутниковых навигационных систем для навигационного обеспечения воздушных судов гражданской авиации. Подробно описаны основные свойства современных глобальных спутниковых навигационных систем, такие как:

- глобальность действия;

- непрерывность действия;

- неограниченность числа потребителей;

- точность навигационных определений.

Представлена структура современной глобальной спутниковой навигационной системы, схема которой показана на рис. 1.

Рис. 1. Структура глобальной спутниковой навигационной системы

Среди недостатков СНС применительно к использованию для целей навигации ВС отмечены следующие:

- высокая чувствительность к промышленным и атмосферным помехам;

- кратковременные пропадания сигнала от навигационного спутника, связанные с затенением антенны, установленной на борту ВС, элементами конструкции воздушного судна во время выполнения маневра;

- недостаточная точность определения координат для решения задачи точного захода на посадку.

Для уменьшения влияния представленных недостатков в главе даны краткие описания различных функциональных дополнений систем: бортовых, наземных, спутниковых, а также рассмотрен вариант комплексирован-ной спутниковой навигационной системы.

Также, в главе рассмотрены современные спутниковые навигационные системы ГЛОНАСС и GPS, отражены достоинства и недостатки обеих систем, сделан анализ динамики уменьшения погрешности при применении комплексированных систем. На основе представленных в главе требований к навигационному обеспечению ВС сделан вывод о недостаточной точности позиционирования ВС при использовании современных навигационных систем ГЛОНАСС и GPS и необходимости разработки алгоритма комплексиро-вания СНС с целью уменьшения погрешности их измерений.

Вторая глава содержит решение поставленной задачи исследования -уменьшение погрешности определения местоположения ВС при использовании СНС. Для этого предложено использовать комплексирование трех спутниковых навигационных систем, размещаемых на борту воздушного судна. Задача комплексирования решается математическими методами с применением теории порядковых статистик или «теории малых выборок».

Теория порядковых статистик определяет свойства объектов, занимающих определенные места (ранги) в упорядоченной (ранжированной) выборке. Оказывается, что упорядочивая совокупность случайных неизвестных (в данном случае координат ВС), можно значительно улучшить статистические оценки. Сортировка элементов в выборке, выделение крайних, средних и любых других номеров, которые получают элементы при ранжировании, приводит к новым вероятностным свойствам элементов, добавляя в выборку дополнительную информацию.

В главе проведено исследование свойств порядковой статистики. В качестве примера использовалась ранжированная выборка, имеющая вид: X(i),X(2)i — Д(т),... Д(П)- Её элемент (совокупность значенийXс рангом т) называют т-й порядковой статистикой. Элементы Хт и Х(п) называются «крайними» или «экстремальными» порядковыми статистиками.

Для оценки возможности использования в алгоритме комплексирования теории порядковых статистик в главе проведено исследование изменения ве-

роятностных свойств порядковой статистики при отбрасывании некоторых элементов выборки. Для этих целей рассматривались плотности вероятности порядковых статистик с рангами т=1, 2, 3 при объеме выборки п =3 из равномерно распределенной на отрезке [0,1] совокупности и совокупности случайных величин, распределенных по нормальному закону с дисперсией равной единице и нулевым средним. Выбор объема выборки п=3 не является произвольным, как правило именно такое число навигационных приемников размещают на борту ВС. При исследовании предполагалось, что проведены измерения координат, при этом порядковые статистики одной из координат ВС следующие:

Х(1) < Х(2) < Х(3), при ЭТОМ Х(2) ~ < *(3) — х(2), Либо

*(2)~*(1) >*(3)-*(2)-

Другими словами, предполагалось, что одно из значений координаты находится в стороне от двух других и может быть наибольшим или наименьшим из всех трех. Если два из трех значений хорошо сходятся между собой, то можно отбросить лишнее третье, как ошибочное. В главе приведен анализ влияния такой отбраковки на оценки математического ожидания и дисперсии. При этом оказалось, что среднее из двух наиболее расходящихся

наблюдений служит лучшей оценкой математического ожидания,

чем среднее из двух ближайших друг другу измеренных значений. Таким образом, отбраковка «отскочившего» значения ухудшает свойства статистик. Тем не менее, это не означает, что отбраковку вообще не следует делать. Отбраковка необходима, если есть основания считать «отскочившее» измерение, принадлежащим чужому исходному распределению. Например, если производится выбор наиболее достоверного из трех значений, то при использовании, например, медианного метода обработки достоверность значений гарантируется сверху и снизу значениями других порядковых статистик и х(!), соответственно. Если измеренные значения х(3) и х(1) выходят за допустимые пределы, например, при выходе из строя оборудования навигационного приемника №3 и №1, то значения х,3/ и х(1) должны быть отброшены.

На основе вышеизложенного в главе сделан вывод о том, что мгновенные значения координат ВС, полученные несколькими приемниками, можно рассматривать как выборку с присущими ей вариантами обработки.

С целью выбора оптимального нелинейного алгоритма обработки навигационных параметров трех комплексированных навигационных систем рассматривались следующие методы:

1. Метод обычного усреднения (МОУО. когда результирующее значе-

а+Ь+с

ние определяется путем усреднения трех величин, *моус ~ —]—, где а, Ь, с - минимальное, среднее и максимальное значение навигационного параметра.

2. Медианный метод (ММ), предполагающий выбор среднего значения

а+с

двух краиних величин измеренного параметра, хмм =

3. Метод усреднения (МУС), учитывающий отбраковку «отскочивших» значений, *мус-

4. Метод двойного усреднения ГМДУС). предусматривающий расчет среднего значения двух величин, одна из которых получена медианным методом, а вторая методом усреднения с отбраковкой «отскочивших» значений, хМдУС = Жмус+ *мм

5. Метод обычного двойного усреднения (МДУС01. предусматривающий расчет среднего значения двух величин, одна из которых получена методом обычного усреднения, а вторая методом усреднения с отбраковкой «отскочивших» значений, Хщусо = *моус**мус.

6. Метод двойного усреднения значений, полученных ММ и МОУС

/п/птлг™/1г->\ ~ „ „ _ *ММ+*М0УС _ 5а+2Ь+5е

(МДУСМО), т.е. Хццусмо =---= —~—

Для анализа предложенных нелинейных алгоритмов и выбора оптимального из них, обладающего наименьшей среднеквадратической ошибкой, было проведено численное моделирование для нормального и равномерного законов распределений. Для отбраковки «отскочивших» значений навигационных параметров при их распределении по нормальному закону использованы следующие пороговые значения (Р): 0,75; 0,85; 0,95; 1,05 и 1,15. При этом среднее значение порядковой статистики для среднего значения было принято равным нулю (а0 = 0), а значение среднеквадратического отклонения равным единице (а — 1). Первое пороговое значение 0,75 соответствует среднему значению порядковой статистики максимального значения. Для случая ограниченного равномерного распределения использовались иные пороговые значения (Р): 0,25; 0,3; 0,35; 0,4 и 0,45, где значение 0,25 соответствует среднему значению порядковой статистики наименьшего значения. Моделирование проводилось как для равноточных (о^ = аг = <т3), так и для неравноточных измерений ( о^ Ф ет2 ст3 ). Среднеквадратические ошибки (СКО) алгоритмов приведены на рис. 2.. .5.

Рис. 2. Нормальный закон распреде- Рис. 3. Нормальный закон распределения плотности вероятности, равно- ления плотности вероятности, нерав-точные измерения неточные измерения

Рис. 4. Равномерный закон распреде- рис. 5, равномерный закон распределения плотности вероятности, равно- дения плотности вероятности, нерав-точные измерения ноточные измерения

Для нормального закона распределения и равноточных измерений можно отметить, что наименьшими среднеквадратическими ошибками обладают три алгоритма нелинейной обработки: ММ, МДУСМО и МОУС. Как видно из представленных рисунков, среднеквадратические ошибки для указанных алгоритмов лежат в интервале 0,56...0,61, при этом среднеквадратические ошибки каждого навигационного приемника были равны единице, т.е.

о1=02 = а3 = 1.

В случае неравноточных измерений (аг = 1, а2 = 2, 03 = 3) и нормального закона распределения плотности вероятности ошибки несколько иные. Они распределены в диапазоне 1,25... 1,39, а наименьшими из них также обладает МОУС.

При равномерном законе распределения плотности вероятности минимальными среднеквадратическими ошибками обладает ММ. Ошибки лежат в интервале 0,15...0,17 для случая равноточных измерений. В случае неравноточных измерений интервал, в котором находятся среднеквадратические ошибки, изменяется: 0,37...0,4 - при этом наименьшими ошибками обладает МОУС.

Во всех рассмотренных случаях значения ошибок МДУСМО находятся между значениями, полученными по ММ и МОУС (рис. 2.. .5).

В главе сделан вывод, что независимо от вида закона асимптотических распределений крайних значений, ограниченного-равномерного и неограниченного-нормального, среднеквадратические ошибки метода двойного усреднения (МДУСМО) при равноточных измерениях имеют значения, не превышающие значений ошибок по методу обычного усреднения (МОУС) при равномерном законе распределения плотности вероятности и значений ошибок по медианному методу (ММ) при нормальном законе распределения плотности вероятности крайних значений порядковых статистик.

Поскольку на практике невозможно априорно спрогнозировать, какому закону распределения подчиняются измеренные навигационные параметры,

то предпочтение для цели комплексирования СНС было отдано методу двойного усреднения, поскольку данный метод имеет преимущество, обеспечивая усредненные среднеквадратические ошибки, не зависящие от вида закона распределения плотности вероятности порядковых статистик.

В третьей главе был выполнен анализ существующей элементной базы, характеристики которой удовлетворяют требованиям к бортовому вычислителю, выполняющему расчет по методу двойного усреднения. Одним из требованием к вычислителю является возможность выполнения множества математических операций при ограниченном времени.

Как выяснилось в процессе исследования, для этих целей как нельзя лучше подходит реализация специализированной аппаратуры в виде встраиваемых систем (англ., Embedded systems).

Встраиваемые системы - специализированные вычислительные системы, непосредственно взаимодействующие с объектом контроля или управления и объединенные с ним единой конструкцией. Как показано в главе, в настоящее время встраиваемые системы можно реализовать на достаточно большом количестве устройств, но наиболее распространены встраиваемые системы на базе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). ПЛИС не имеют конкурентов в областях, требующих создания специализированных алгоритмов, ориентированных на аппаратурную реализацию, которая позволяет в несколько раз повысить производительность за счет распараллеливания процесса обработки. Современные ПЛИС позволяют реализо-вывать на кристалле стандартные процессорные ядра и решать практически любые задачи по построению программно-аппаратных систем на одной микросхеме с использованием единых систем проектирования и отладки.

Для реализации предложенного алгоритма на микросхемах программируемой логики в главе была определена структура бортового вычислителя (рис. б).Источниками входного сигнала являются спутниковые приемники. Блок сопряжения предназначен для приема, декодирования сигналов со спутниковых приемников и представления их в приемлемом для дальнейшей обработки виде. Блок обработки

выполняет обработку посту- Рис. 6. Структурная схема вычислителя пившего сигнала и выдает результат в виде навигационных параметров.

Как показано в главе, реализация блока сопряжения упрощается в виду того, что интерфейс обмена данными большинства GPS приемников реализован в соответствии со стандартной спецификацией для GPS-приемников NMEA (National Marine Electronics Association). Коммутация по протоколу NMEA осуществляется по последовательному интерфейсу RS-232.

Для реализации структуры вычислителя был выбран встраиваемый процессор Nios II фирмы Altera. Для размещения процессора использована микросхема программируемой логики семейства Stratix II фирмы Altera.

Далее в главе рассматривается реализация алгоритма метода двойного усреднения в виде программного кода для встраиваемого процессора Nios II. На базе данного процессора в главе разработан программно-аппаратный комплекс, позволяющий производить вычисления по методу двойного усреднения как на персональном компьютере, так и на реальном устройстве - микросхеме программируемой логики.

Четвертая глава состоит из экспериментальных исследований по оценке применяемости разработанного в предыдущей главе программно-аппаратного комплекса, выполняющего вычисления по методу двойного усреднения для уменьшения погрешности при комплексировании спутниковых навигационных систем.

Первоначально в главе описано исследование зависимости среднеквад-ратической ошибки обработки измерений спутниковых навигационных приемников от расстояния между ними. Для этих целей было выполнено размещение приемников на крыше 9-ти этажного дома, согласно рис. 7.

Было выполнено три измерения:

1. Приемники удалены друг от друга на расстояние R=0,5L.

2. Приемники удалены друг от друга на расстояние R=5L.

3. Приемники удалены друг от друга на расстояние R=I0L.

Здесь L - длина волны навигационного сигнала, величина, равная 0,1902 м.

В ходе измерений с помощью специализированного программного обеспечения велась запись файлов по протоколу NMEA от каждого приемника. После была выполнена обработка полученных данных, которая заключалась в загрузке полученных файлов в программно-аппаратный комплекс, описанный в главе 3. Программно-аппаратный комплекс выполнял вычисления методом МДУСМО, выдавая в качестве результата усредненные значения, полученных от спутниковых навигационных приемников координат. Затем выполнялись оценки среднеквадратической ошибки каждого из приемников и общая среднеквадратическая ошибка вычислений. Полученный в ходе исследований график, отражающий зависимость относительной среднеквадратической ошибки от расстояния между приемниками, показан на рис. 8.

Рис. 7. Расположение приемников во время проведения эксперимента

0,000035

1 0,00003 5 1

а ? 0,000025

I 5

г I 0,00002

5 I;

г | 0,000015

X в

1 1 0,00001 со =1

& 0,000005

о

12 3

Номер измерения

Рис. 8. Зависимость величины относительной среднеквадратической ошибки от расстояния между приемниками

Согласно полученному в главе графику, наиболее оптимальным расстоянием размещения приемников на борту ВС с точки зрения уменьшения среднеквадратической погрешности измерений является расстояние 0,51.

Вторым этапом экспериментальных исследований являлась оценка относительной среднеквадратической погрешности метода двойного усреднения при применении его для вычисления радиальной скорости движения. Условия проведения экспериментальных исследований практически совпадают с условиями, описанными в первой части главы. Отличия состоят в том, что, во-первых, для снятия исходных данных от спутниковых навигационных приемников использовался протокол МЫЕХ, во-вторых, во время проведения исследований использовались отличные от первого эксперимента величины расстояний между спутниковыми приемниками. После снятия исходных данных выполнялась обработка.

Суть обработки состояла в выборе одного спутника и наблюдении за его параметрами (анализ записей формата ЫЫЕХ) при различных значениях величины расстояния между приемниками. Затем выполнялись усреднения полученных значений радиальной скорости по методу двойного усреднения и расчет относительной среднеквадратической ошибки. Измерения и расчеты выполнялись для следующих спутников и значений расстояний между ними:

1. Спутник номер 12, расстояния: 4Ь, 10Ь, 25Ь.

2. Спутник номер 15, расстояния 1Ь, 5Ь, 15Ь.

3. Спутник номер 28, расстояния 0,5Ь, 4Ь, 10Ь.

Анализ полученных результатов (рис. 9...11) позволил сделать вывод о том, что относительная среднеквадратическая ошибка определения радиальной скорости методом двойного усреднения находится в допустимых пределах при размещении спутниковых навигационных приемников на борту ВС на расстояниях не меньше 4Ь и не более 10Ь, где Ь=0,1902 м.

-♦•Приемник А -♦-Приемник В А Приемнике

— ПрйСМмик 1 -Лрилим **2

— Приемы их 3

—Приемник! НПрисмник 2 —Приемник 3

Расстояние между приемниками

Рис. 9. Результаты обработки по спутнику №12

Росстоянис между I

Рис. 10. Результаты обработки по спутнику № 15

0,009 0,008 0,007 0,006 0,005 0,004 0,003 0,002 0,001

—Приемник 1 — Приемник 2 -Приемник 3

0,5L 4L 10L

Расстояние между приемниками

Рис. 11. Результаты обработки по спутнику №28

На третьем этапе выполнялись исследования по оценке точности результатов, полученных методом двойного усреднения, при выполнении «виртуального» полета ВС.

«Виртуальный» полет осуществлялся путем генерации исходных данных в формате NMEA от трех навигационных приемников с помощью специализированного программного пакета GPS Generator. При этом, были заданы некоторые допущения при движении ВС и представлен маршрут, состоящий из контрольных точек с известными заранее координатами. Маршрут движения показан на рис. 12.

На карту последовательно наносились линии пути, полученные генерацией данных для каждого приемника. Последней наносилась линия пути, рассчитанная по исходным данным при помощи метода двойного усреднения. При этом производилось фиксирование отображаемых приемниками координат, координат рассчитанных по методу двойного усреднения и координат контрольной точки. Затем выполнялось сравнивание указанных координат в контрольной точке с целью определения наиболее правильной линии пути.

Линии пути в двух контрольных точках приведены на рис. 13,14.

55 5еео. 38 А302 '

ТурыгинО

Юрово

Цюрупы

Цсрупи

Тимомимо

Верх Крмвцы

Губимо

Пуииино!

Рис. 12. Маршрут «виртуального» полета

мйусмо

приемник 2

у/ приемник '

-2---1 И 552220. Зв 1133*8 а) /

\приемник 3 \ МЛ У С МО

приемник 2 \ <

ч \\< \приемник 1

\Ч 1 55*05« М й) \

\ приемник 5

Рис. 13. Контрольная точка с координатами 55,552320°; 38,153879°

Координаты, выдаваемые приемниками:

-приемник 1: 55,552339°; 38,153892°;

Рис. 14. Контрольная точка с координатами 55,406620°; 38,340340°

Координаты, выдаваемые приемниками:

-приемник 1: 55,406484°; 38,430359°;

-приемник 2: 55,552370°; 38,153868°; -приемник 2: 55,406714°; 38,340161°; -приемник 3: 55,552285°; 38,153887°. -приемник 3: 55,406392°; 38,340225°.

Координаты, рассчитанные методом двойного усреднения:

55,552304°; 38,152884°.

Координаты, рассчитанные методом двойного усреднения:

55,406555°; 38,340346°.

При анализе линий пути, исходных и рассчитанных координат в контрольных точках было определено, что наиболее близко к отметке истинной координаты проходит линия пути, полученная расчетом по методу двойного

усреднения, т.е. метод дает наиболее точную информацию о текущих координатах на всех стадиях «виртуального» полета ВС.

В Заключении сообщается, что цель диссертационной работы достигнута, т.е. в результате проведенных исследований было доказано теоретически и экспериментально улучшение точностных характеристик комплексиро-ванных навигационных систем при использовании метода двойного усреднения.

По содержанию диссертации опубликованы следующие работы:

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

1.1. Нечаев Е.Е. К вопросу построения интегрированных навигационных систем на базе ПЛИС // Научный вестник МГТУ ГА №136 (12), серия «Навигация и УВД», М.: МГТУГА, 2008, с. 85 - 94.

1.2. Нечаев Е.Е. К вопросу нелинейной обработки навигационных параметров комплексированных спутниковых навигационных систем // Научный вестник МГТУ ГА №152 (2), М.: МГТУГА, 2010, с. 45 - 50.

1.3. Горбачев О.А., Нечаев Е.Е., Рябков П.В. К вопросу размещения спутниковых навигационных приемников на борту воздушного судна // Научный вестник МГТУ ГА №159, М.: МГТУГА, 2010, с. 171- 177.

1.4. Нечаев Е.Е. Применение встраиваемых процессоров на ПЛИС для идентификации навигационных параметров // Научный вестник МГТУ ГА №159, М.: МГТУГА, 2010, с. 136 - 142.

2. В прочих изданиях:

2.1. Нечаев Е.Е. Метод повышения эффективности спутниковых радионавигационных систем путем применения встраиваемых процессоров в бортовой авиационной аппаратуре // Тезисы докладов международной научно-технической конференции, посвященной 85-летию гражданской авиации России, М.: МГТУ ГА, 2008, с. 169-170.

2.2. Нечаев Е.Е. Применение микросхем программируемой логики для повышения точности спутниковых радионавигационных систем // Тезисы докладов всероссийской конференции молодых ученых и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической тех-нике-2008», М.: МАИ-ПРИНТ, 2008, с. 79.

2.3. Нечаев Е.Е. Программируемые логические интегральные схемы как основа построения интегрированных навигационных систем // Сборник статей IX Международной научно-технической конференции «Информационно-вычислительные технологии и их приложения», Пенза: РИО ПГСХА, 2008, с. 186 - 188.

2.4. Нечаев Е.Е. Комплексированные глобальные спутниковые навигационные системы на базе ПЛИС // Сборник тезисов докладов участников XXIV всероссийской конференции обучающихся «Национальное достояние России», М.: «Нецепино» УД Президента РФ, 2009, с. 227.

2.5.

2.6.

2.7.

2.8.

2.9.

Нечаев Е.Е. Построение интегрированных навигационных систем на базе ПЛИС // Труды международного Форума по проблемам науки, техники и образования, М.: Академия наук о Земле, 2008, с. 7 - 8. Нечаев Е.Е. Метод медианной фильтрации в комплексированных глобальных навигационных системах // Материалы 5-й международной молодежной научно-технической конференции «Современные проблемы радиотехники и коммуникаций», Украина, Севастополь: «Ве-бер», 2009, с. 219.

Нечаев Е.Е. Основные исторические этапы развития навигационных систем // Наука, техника, человек: межвузовский сборник научных работ. - М.: МГТУ ГА, 2009, с. 51 - 54

Нечаев Е.Е. Нелинейная фильтрация навигационных параметров спутниковых навигационных систем // Труды IX Международной научно-технической конференции «Авиа-2009». - Национальный авиационный университет, Украина, Киев, Том 1, с.6.48-6.51. Нечаев Е.Е. Применение микросхем программируемой логики для повышения точности спутниковых радионавигационных систем // Сборник докладов научно-технической конференции, посвященной 80-летию со дня рождения Д.т.н., профессора, заслуженного деятеля нау-

ки и техники РСФСР П.А. Бакулева, М.: МАИ-ПРИНТ, 2008, с. 112 —

117.

Соискатель

Е.Е. Нечаев

Печать офсетная 1,04усл.печ.л.

Подписано в печать 14.0 2.11 г. Формат 60x84/16 Заказ № 1218/^

1,02 уч.-изд. л. Тираж 80 экз.

Московский государственный технический университет ГА 125993 Москва, Кронштадтский бульвар, д. 20 Редакционно-издательский отдел 125493 Москва, ул. Пулковская, д.ба

© Московский государственный технический университет ГА, 2011

Введение.

Глава 1. Навигационное обеспечение воздушных судов (ВС) гражданской авиации (ГА) с использованием спутнйковых навигационных систем (СНС)

1.1. Общие сведения о спутниковых навигационных системах.

1.2. Требования к навигационному'обеспечению ВС ГА.

1.3. Спутниковая навигационная систёма ГЛОНАСС.

1.4. Спутниковая навигационная система GPS.

1.5. Цели и задачи комплексирования СНС.

1.6. Требования к бортовому приемнику комплексированной системы.

Результаты главы 1.

Глава 2. Уменьшение погрешностей определения местоположения ВС при использовании комплексированных СНС.

2.1. Цель уменьшения погрешностей определения местоположения.

2.2. Методы снижения погрешностей определения местоположения.

Результаты главы 2.

Глава 3. Применение программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) для целей построения аппаратуры комплексированных СНС.

3.1. Аппаратная реализация метода двойного усреднения.

3.2. Программная реализация метода двойного усреднения.

Результаты главы 3.

Глава 4. Экспериментальные исследования по уменьшению погрешностей местоположения ВС при использовании комплексированных СНС.

4.1. Анализ погрешностей обработки данных СНС методом двойного усреднения при определении местоположения объекта.

4.2. Погрешность определения радиальной скорости при обработке данных от СНС.

4.3. Программный анализ погрешности при движении ВС по маршруту

Результаты главы 4.

Формулировка проблемы и её актуальность

Первоначально термин «навигация» (лат. Navigo - плыву на судне) относился исключительно-ю мореплаванию, обозначая, основной раздел судовождения, в котором разрабатывались теоретические обоснования и практические приёмы вождения судов [1].

С быстрым развитием1 науки и техники в XX веке и с появлением различных объектов навигации таких- как автомобили, воздушные суда, космические корабли и т.п., термин навигация стал охватывать более широкий спектр смысловых значений. В< общем виде, можно'считать, что навигация -это процесс управления некоторым объектом, который имеет собственные методы, передвижения в некотором, пространстве. Этот процесс состоит, из> двух основных частей [1]:

1. Теория и применение на практике методов управления объектом.

2. Выбор оптимального движения объекта в пространстве, или маршрутизация.

Для решения задач навигации требуется наличие источников информации, которыми могут являться различные факторы естественного и искусственного происхождения, такие как параметры магнитного, электромагнитного и гравитационного поля, астрономические данные, инерциальные явления и т.п. [2]. В зависимости от типа используемых источников информации все навигационные системы можно разделить на автономные и неавтономные.

Автономными принято называть такие системы, которые не используют для решения навигационной задачи искусственные параметры от внешних источников. Не соответствующие этому критерию навигационные системы называют неавтономными.

К автономным системам относятся инерциальные навигационные системы (ИНС). Принцип работы ИНС основан на интегрировании значений ускорений воздушного судна по трем осям координат, что позволяет определить местоположение ВС, а с помощью дальнейших преобразований и другую необходимую для решения задач навигации информацию. Для такой системы характерно возрастание погрешности определения координат в зависимости от времени полета ВС. Данная погрешность определяется как величина «ухода» подсчитанного с помощью ИНС местоположения ВС от фактического местоположения за один час полета [2]. В «Руководстве по требуемым навигационным характеристикам» [3] приводится номинальное значение данной величины, равное 1,5.2 морские мили за час ( ~ 2,8.3 км за час), но, как показывает практика, современные инерциальные системы обеспечивают более высокую точность. Например, при использовании широко распространенной системы ИНС «Litton-90-100» (США) величина погрешности составляет лишь 0,5 морских мили за час ( ~ 900 м за час) [4]. Несмотря на это, инерциальные навигационные системы не могут применяться в «чистом» виде без использования специальных корректирующих алгоритмов. В качестве примера алгоритма снижения погрешности ИНС можно рассмотреть вариант расположения на борту ВС трех одинаковых комплектов ИНС с использованием различных алгоритмов обработки информации - от простого усреднения координат, полученных от трех ИНС, до сложных алгоритмов фильтрации [2]. Также, одним из вариантов является дополнение и корректировка информации, получаемой от ИНС, информацией от спутникового навигационного приемника. Примером такой системы может служить российская разработка - приборы НСИ-2000 и НСИ-2000МТ, включающие в себя инерци-альную часть на базе лазерных гироскопов и аппаратуру спутниковой навигационной системы на базе приемников GG-24 и антенны приема спутниковых сигналов GPS/TJIOHACC. Данные системы сертифицированы для использования на самолетах Ил-76-ТД, Ту-154М, Бе-200, Ту-334, Ил-96-300 [5].

К неавтономным навигационным системам можно отнести аппаратуру всенаправленного азимутального радиомаяка (РМА, англ. VHP Omnidirectional Radio Range, VOR), всенаправленного дальномерного радиомаяка (РМД, англ. Distance Measuring Equipment, DME), совместную систему

РМА/РМД (VOR/DME), глобальные навигационные спутниковые системы (англ. Glbbarnavigation satellite system - GNSS).

Всенаправленный азимутальный радиомаяк (РМА, англ: VOR). Станция; VOR передаёт в эфир свои;позывные азбукой,Морзе и информацию, которая? позволяет радионавигационным системам на борту ВС определить- его угловое положение относительно станции: Информация- от двух станций? даёт возможность однозначно определить положение ВС [6]1

Всенаправленный далъномерный радиомаяк (РМД,. англ. DME). Работа подобной системы основана на измерении времени прохождения радиосигнала от наземной станции до'ВС. Как на наземной станции, так и на ВС требуется установка приёмника и передатчика. На практике DME обычно совмещается с навигационной системой VOR, или оборудование DME размещается вместе с курсо-глиссадньши;маякамищнструментальнойхистемы»посадки;[6].

Система РМА/РМД (англ. VOR/DME). Работа системы: заключается в преобразовании бортовым компьютером пеленга и дальности; от радиомаяка: Bf линейное бортовое уклонение- от линии заданного пути и оставшееся: расстояние. Точность данного способа навигации' связана' в основном; с азимутальным каналом системы, т.е. с VOR. В любых угломерных системах линейная погрешность определения* местоположения: возрастает пропорционально удалению от радиомаяка' [2]. При этом средняя квадратическая: погрешность определения пеленга по VOR составляет около 1°.2°. Это значение и ограничивает максимально допустимую дальность использования* радиомаяка, которая зависит также и от требований к точности навигации в данном районе.

Как в нашей стране, так и за рубежом в течение долгого времени маршруты полётов воздушных судов организовывались так, чтобы они проходили через наземные радиомаяки. В'таких случаях обычно использовался радиомаяк типа VOR. При таком режиме полета ВС выполняло настройку на частоту конкретного радиомаяка'VOR, при этом движение осуществлялось по направлению на радиомаяк, или по направлению от радиомаяка. Бортовое оборудование определяло величину отклонения ВС от заданного пути, отображая необходимые сведения на пилотажно-навигационном приборе. При данном способе навигации обеспечивается точное следование ВС заданному курсу без учета поправки на снос боковым ветром [7].

Постоянное возрастание интенсивности воздушного движения» (ВД) привело к тому, что воздушных трасс, проходящих через радиомаяки и имеющих ограниченную пропускную способность, во многих регионах страны, особенно в крупных узловых центрах (например, в Московском регионе)1 стало явно недостаточно. Специалисты стали рассматривать возможность организации ВД по произвольным траекториям, причём не обязательно проходящим через радиомаяки.

Для выполнения таких полетов необходимо следующее:

1. В течение всего полета получать информацию о текущем местоположении ВС.

2. Отображать полученную информацию на навигационном приборе с учетом отклонения от намеченного маршрута.

Выполнение первого условия обеспечивается путем использования системы радиомаяков типа VOR/DME, которая позволяет непрерывно измерять пеленг и дальность до ВС. Для решения второй задачи потребовалось доос-нащение ВС компьютерной техникой, выполняющей непрерывную обработку измеряемых значений пеленга и дальности и преобразованию их в линию пути на экране навигационного прибора.

Такой тип навигации получил название «зональная навигация» (англ. Area navigation, RNAV) [2,3]. Название можно объяснить тем, что данный тип навигации применялся в зоне действия радиомаяка. Впоследствии, для целей навигации взамен радиомаячных систем стали применяться инерци-альные системы, спутниковые навигационные системы и их комбинации, исключая таким образом само понятие навигации в какой-либо зоне, но, несмотря на это, термин «зональная навигация» сохранился.

В настоящее время зональная навнгаг{11Я — метод навигации, который позволяет воздушному судну выполнять полет по любой желаемой траектории [3]. Оборудование, с использованием, которого выполняется зональная навигация, стали называть «оборудованием зональной навигации» или «оборудование RNAV».

В соответствии с концепцией ICAO CNS/ATM оборудование зональной навигации в ближайшем будущем будет организовано на базе спутниковых навигационных систем [8].

Оборудование СНС имеет ряд неоспоримых преимуществ перед традиционными навигационными системами:

- глобальность и непрерывность действия;

- независимость работоспособности .системы от количества одновременно работающих приемников;

- возможность применения специальных методов для увеличения точности определения местоположения воздушного судна (например, для целей захода на посадку);

- независимость работоспособности системы от внешних факторов.

СНС позволяют определять не только местоположение ВС, включая высоту полета, но и параметры его движения: путевую и вертикальные скорости, значения ускорений и путевой угол [9].

К потребителям СНС поступает информация о текущем, значении навигационных параметров и эфемеридная информация, каждая из которых искажена помехами. Кроме того, обработка поступающей информации также вносит свои помехи.

Условно можно разделить всю систему погрешностей на два типа:

1. Погрешности оборудования приемника и передатчика.

2. Погрешности среды распространения сигнала.

Погрешности оборудования приемника и передатчика легко поддаются выявлению и вычисляются в процессе обработки сигнала.

Погрешности среды распространения сигнала в первую очередь зависят от сезона, времени суток, метеоусловий, уровня геомагнитной и солнечной активности.

Однако, как показано в [10], в любое время основным источником погрешностей при определении местоположения. ВС с использованием спутниковых навигационных систем'являются ионосфера и тропосфера. При этом также известно, что ионосфера большую часть времени находится в возмущенном состоянии, что приводит к увеличению погрешности определения местоположения ВС и сбоям СНС.

Несмотря на это, на этапе первоначального проектирования СНС считалось, что влиянием среды распространения сигнала можно пренебречь вследствие высокой частоты сигнала радиоволны, потому что в этом случае показатель преломления среды близок к.единице, а путь распространения.сигнала, стремится к прямому отрезку между передатчиком и приемником [10]. Однако, в настоящее время, в связи с последовательным введением концепции-1САО С^/АТЫ значительно ужесточились требования к навигационному обеспечению ВС, что приводит к необходимости решения задач повышения точности определения навигационных параметров, то есть снижению влияния погрешностей.

Следовательно, возникает актуальная научная проблема совершенствования навигационных систем для воздушного транспорта, путем уменьшения погрешностей определения местоположения ВС во время всего цикла полета.

Цель и задачи исследования

Целью исследования является совершенствование существующих навигационных систем ВС путем снижения погрешностей определения местоположения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- выполнить анализ требуемых навигационных характеристик в соответствии с концепцией 1САО СКБ/АТМ; провести анализ используемой в настоящее время навигационной аппаратуры с целью определения основных составляющих погрешностей; провести анализ существующей и планируемой для введения аппаратуры СНС; разработать метод снижения погрешностей, основываясь на статистическом и математическом моделировании; разработать математическую модель метода снижения погрешностей; реализовать математическую модель в виде программного комплекса с возможностью изменения исходных данных; провести анализ существующей элементной базы для аппаратного исполнения программного комплекса; предусмотреть возможность включения полученного программно-аппаратного комплекса обработки навигационной информации в состав существующего навигационного оборудования; произвести экспериментальные исследования для оценки правильности предложенной методики уменьшения погрешностей определения местоположения ВС; произвести экспериментальные исследования в области отработки разработанной методики для трех источников навигационных сигналов; произвести экспериментальные исследования по применению предложенной методики для снижения погрешностей на примере полета ВС.

Методы исследования

Для решения указанных выше задач были применены теоретические методы исследования* погрешностей, статистические и-математические методы обработки информации, прикладные методы функционального анализа, методы программирования на.языках высокого уровня, пакеты прикладного и специального программного* обеспечения: Кроме* того, были использованы экспериментальные исследования, выполненные с помощью - специализированного навигационного оборудования.

Научная новизна работы

Научная новизна работы состоит в предложенном методе обработки навигационной информации от нескольких навигационных приемников и разработанной для данного метода схемы построения бортового вычислительного устройства. Предложенный программно-аппаратный комплекс обладает возможностью интеграции в существующие навигационные системы. Проведен'эксперимент по проверке реализации метода в. программно-аппаратном комплексе с целью определения величины погрешностей измерения и исключении их из окончательной навигационной информации, на борту воздушного судна.

В диссертации получены следующие научные результаты:

1. Предложен метод двойного усреднения для обработки навигационной информации трех бортовых навигационных систем, позволяющий уменьшить погрешности измерений.

2. На основе разработанной модели показана возможность интегрирования программно-аппаратного комплекса в состав существующего навигационного оборудования ВС.

3. На основе экспериментальных исследований определено оптимальное расстояние между навигационными приемниками на борту ВС.

На защиту выносятся:

1. Метод обработки навигационной информации от трех бортовых навигационных систем.

2. Результаты теоретического исследования и моделирования по разработанному программно-аппаратному комплексу для обработки навигационной, информации.

3. Методика эксперимента и экспериментальные исследования по выбору места расположения трех одночастотных приемников GPS с имитацией их.размещения на борту ВС.

Научная и практическая значимость работы состоит в том, что полученные в ней результаты позволяют:

1. Выполнять определение местоположения ВС во время всего цикла полета с соблюдением требований к точности- согласно концепции ICAO CNS/ATM.

2. Применить разработанный программно-аппаратный комплекс для реализации аппаратуры, включаемой в состав навигационной системы.

3. Выявить наиболее рациональное расположение навигационных приемников на борту ВС с точки зрения снижения погрешности определения местоположения.

Внедрение результатов

Результаты диссертационной работы внедрены в МГТУ ГА, Рыльском авиационном техническом колледже (АТК) и филиале «Аэронавигация Восточной Сибири» ФГУП «Госкорпорация по ОрВД», что подтверждено соответствующими актами.

Достоверность результатов основана на применении теоретических основ построения спутниковых навигационных систем, использовании моделирования на ПЭВМ, сравнении результатов полученных экспериментальным путем с результатами других авторов.

Апробация результатов

Результаты проведенных исследований докладывались на:

- Международной научно-технической конференции, посвященной 85-летию гражданской авиации России [11];

- Всероссийской конференции молодых ученых и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике-2008» [12];

- Международной научно-технической конференции «Информационно-вычислительные технологии и их приложения» [13];

- XXIV всероссийской конференции обучающихся «Национальное достояние России» [14];

- Международном Форуме по проблемам науки, техники и образования [15];

- 5-й международной молодежной, научно-технической конференции «Современные проблемы радиотехники и коммуникаций» [16];

- IX Международной научно-технической конференции «Авиа-2009» [17];

- научно-технической конференции, посвященной 80-летию со дня рождения д.т.н., профессора, заслуженного деятеля науки и техники РСФСР П.А. Бакулева [18].

Публикация результатов

Основные результаты диссертации представлены в 13 научных работах, которые опубликованы в российских и зарубежных источниках.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 82 наименований и приложения. Основная часть диссертации содержит 46 рисунков, 15 таблиц и 3 листинга программ.

Заключение

Целью работы являлось совершенствование существующих в настоящее время навигационных систем воздушных судов путем повышения точности и надежности измерений в комплексированных спутниковых навигационных системах.

Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие основные задачи:

1. Выполнен анализ состояния современной аппаратуры, устанавливаемой на ВС и используемой для целей навигации.

2. Рассмотрены основные требования к навигационным характеристикам в соответствии с концепцией CNS/ATM 1С АО.

3. Рассмотрены спутниковые системы навигации GPS и ГЛОНАСС, определены достоинства и недостатки систем при использовании в качестве средства навигации, проведены исследования с целью определения источников погрешности при определении координат, выделены возможные варианты улучшения СНС.

4. Оценены варианты комплексирования как спутниковых навигационных систем с «традиционными» системами навигации, так и ком-плексирование нескольких приемников спутниковых навигационных систем.

5. Изучены требования к бортовой аппаратуре, осуществляющей обработку сигналов от нескольких навигационных систем.

6. Проведен статистический и математический анализ существующих и предложенного метода измерения навигационных параметров.

В ходе работы были получены следующие новые научные результаты:

1. Предложен новый метод измерения в комплексированных спутниковых навигационных системах - метод двойного усреднения.

2. Разработан алгоритм выполнения вычислений по методу двойного усреднения. г

3. С помощью статистических вычислений теоретически обоснована и доказана возможность применения разработанного алгоритма при комплексировании спутниковых навигационных сигналов для целей уменьшения погрешности определения координат.

4. Разработана программно-аппаратная модель алгоритма вычислений по методу двойного усреднения. Программно-аппаратная модель выполнена на современной элементной базе - программируемых логических интегральных схемах с применением встраиваемого процессора, что повышает надежность работы навигационной системы.

5. Предложена методика интегрирования аппаратуры, разработанной на базе программно-аппаратной модели в навигационный комплекс современных ВС.

6. Выполнены эспериментальные исследования в области оценивания адекватности разработанной программно-аппаратной модели в реальных условиях управления воздушным движением.

7. Доказано теоретически и экспериментально улучшение характеристик работы комплексированных навигационных систем при использовании метода двойного усреднения.

Полученные результаты дают возможность:

1. Увеличить точностные характеристики определения местоположения ВС в пространстве без применения специализированных функциональных дополнений спутниковых навигационных систем за счет использования в бортовых вычислителях предложенного метода двойного усреднения.

2. Увеличить интенсивность движения воздушных судов за счет сокращения интервалов эшелонирования и повысить уровень безопасности полетов, благодаря более точному определению местоположения ВС в пространстве.

1. Ухов К.С. Навигация:Учебник для вузов.; 4-е издание, перераб. и доп.1. Л. : б.н., 1954.

2. Вовк В.И., Липин A.B., Сарайский Ю.Н. Зональная навигация. Учебное пособие. — СПб. : СПГУ ГА, 2004.

3. Руководство по требуемым иавигагшонным характеристикам. Doc 9613-AN/937, Second Edition. — Монреаль. : ИКАО, 1999.

4. Michael Е. Greene, Victor Trent. Software algorithms in air data attitude heading reference systems, б.м. : Aircraft Engineering and Aerospace Technology, Vol. 75, p.470 476, 2003.

5. Фомичев A.A. Использование GPS/ГЛОНАСС оборудования в интегрированной инерциально-спутниковой навигационной системе НСИ-2000". — М. : Конференция компании THALES Navigation (Magellan-Ashtech), 2003.

6. Авиационная радионавигация/ Под ред. А. А. Сосновского. — М. : Транспорт, 1990.

7. Бакулев П.А., Сосновский A.A. Радионавигационные системы. Учебник для вузов. — М. : Радиотехника, 2005.

8. Крыжановский Г.А. Концепция и системы CNS/ATM в гражданской авиации. -М.: ИКЦ Академкнига, 2003.

9. Пятко С.Г. АС УВД Автоматизированные системы управления воздушным движением. — Спб. : Политехника, 2004.

10. Горбачев O.A. Навигаг¡ионное обеспечение воздушных судов гражданской авиации в условиях возмущенной ионосферы// Диссертагшя на соискание ученой степени доктора технических наук. — М., 2009.

11. Нечаев Е.Е. Комплексированные глобальные спутниковые навигационные системы на базе ПЛИС// Сборник тезисов докладов участников XXIV всероссийской конференции обучающихся «Национальное достояние России». М.: «Нецепино» УД Президента РФ, 2009.

12. Нечаев Е.Е. . Построение интегрированных навигационных систем на базе ПЛИС. Труды международного Форума по проблемам науки, техники и образования. — М. : Академия наук о Земле, с. 7 8, 2008.

13. Нечаев Е.Е. . Метод медианной фильтрации в комплексированных глобальных навигационных системах// Материалы 5-й международной молодежной научно-технической конференции «Современные проблемы радиотехники и коммуникаций». Севастополь : «Вебер», 2009.

14. Нечаев Е.Е. . Нелинейная фильтрация навигационных параметров спутниковых навигационных систем. Труды IX Международной научно-технической конференции «Авиа-2009». — Киев, Украина. : Национальный авиационный университет, Том 1,2009.

15. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования/ Под. ред.

16. A.И. Перова, В.Н. Xapucoea. — М. : Радиотехника, 2010.

17. Сетевые спутниковые навигационные системы/ Под.ред. П.П.Дмитриева, В.С.Шебшаевича. — М. : Транспорт, 1982.

18. Сетевые спутниковые радионавигационные системы/ Под.ред.

19. B.С.Шебшаевича. —М. : Радио и связь, 1993.

20. Волков Н.М, Иванов Н.Е., Салищев В.А., Тюбалин В.В. Глобальная спутниковая навигационная система ГЛОНАСС. — М. : ж. Успехи современной радиоэлектроники, 1997, №1, с. 31-46.

21. Конин В.В. Спутниковые системы и технологии. — Киев, Украина : Национальный авиационный университет, 2008.

22. Официальный интернет-сайт Европейского космического агентства (ESA) . В Интернете. http://www.esa.int.

23. Российский радионавигационный план- М. : НТЦ "Интернавигация", 2008.

24. Воздушный кодекс РФ. 1997.

25. Федеральные правила использования воздушного пространства Российской Федерации. — М. : Постановление Правительства РФ от 11.03.2010, №138, 2010.

26. Решетнев М.Ф. Развитие спутниковых радионавигационных систем. —М.: Информационный бюллетень НТЦ "Интернавигация", 1992.

27. Шебшаевич B.C. Развитие теоретических основ спутниковой радионавигагщи ленинградской радиокосмической школой. — М.: Радионавигация и время, 1992.

28. Федеральная целевая программа "Глобальная навигационная система". —М.: б.н., 2001.

29. Распоряжение Президента РФ №38-рп от 12.02.1999.

30. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ. — М.: КНИЦ ВКС, 2008.

31. Официальный интернет-сайт Прикладного потребительского Центра (ППЦ) на базе Информационно-аналитического центра (ИАЦ) ЦНИИмаш. В Интернете. http://www.glonass-iane.rsa.ru.

32. Соловьев Ю.А. Системы спутниковой навигации. — М. : Эко-Трендз, 2000.

33. Bazarov Y. Introduction to Global Navigation Satellite System. : AGARD LECTURE SERIES 207. System implications and innovative applications of satellite navigation, 1996.

34. System 621B User Equipment Definition and Experiments Program. New York : Grumman Aerospace Corporation; 1973.

35. Fact Sheet. U.S. Global Positioning System Policy, б.м. : The White House, Office of Science and Technology Policy, National Security Council, 1999.

36. Interface specification IS-GPS-200, Revision E : Science Applications International Corporation, 2010.r

37. Воздушный транспорт №43, октябрь. — M., 2010 г.

38. Яценков B.C. Основы спутниковой навигации. Системы GPS NA VSTAR и ГЛОНАСС. — М. : "Горячая линия Телеком", 2005.

39. Spilker J.J. Satellite Constellation and Geometric Dilution of Precision. — Washington, D.C. : Global Positioning System: Theory and Applications, Vol. 1, 1996.

40. Ван Дайк К. Использование спутниковых радионавигационных систем для обеспечения требуемого уровня характеристик глобальной спутниковой навигационной системы. — М. : Радиотехника. Радиосистемы. Радионавигационные системы и навигационные комплексы, 1996.

41. A3. Информационные технологии в радиотехнических системах/ Под.ред. Федорова И.Б. —М. : МГТУ имени Н.Э. Баумана, 2003.

42. Salychev O.S. Applied inertial navigation• problem and solutions. — M.: BMSTV Press, 2004.

43. Прохорцов A.B., Савельев В.В., Смирнов В.А., Чепурин A.A.

44. Комплексирование данных инерциалъной и спутниковой навигационных систем при доступности одного или двух спутников. — М. : Известия Института инженерной физики, №13, 2009.

45. Аппаратура радионавигационных систем ГЛОНАСС и GPS. Системы координат. Методы перевычислений координат определяемых точек. —М. : Государственный стандарт РФ, 1997.

46. Шсстаков И.Н. Повышение точности позиционирования подвижных объектов с применением нескольких приемных устройств СРНС на борту ВС. Научный вестник МГТУ ГА №107. — М. : МГТУ ГА, 2006.

47. Поваляев A.A. Спутниковые радионавигационные системы. — М. : Радиотехника, 2008.

48. Ефимов А.Н. Порядковые статистики их свойства и приложения.1. М.: Знание, 1980.

49. Гпльбо Е.П., Челпанов И.Б. Обработка сигналов на основе упорядоченного выбора (мажоритарное и близкое к нему преобразования).1. М.: Сов.радио, 1976.

50. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. — Л. : Энергоатомиздат, 1991.

51. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники (книга 1). —М.: Сов.радио, 1974.

52. Дэйвид Г. Порядковые статистики. — М. : Наука, 1979.

53. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). —М. : Наука, 1973.

54. Ключ ев А.О., Ковязина Д.Р., Ку старев П.В., Платунов А.Е. . Аппаратные и программные средства встраиваемых систем. — Спб.: Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, 2010.

55. Wolf W.H. Computers as Components: Principles of Embedded Computing. — San Francisco : Morgan Kaufmann, 2005. ISBN 978-0-12-3694591.

56. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия.

57. Термины и определения. — М. : ИПК Издательство стандартов, 2002.

58. Hennessy J.L., Patterson D.A., Goldberg D. Computer architecture: a quantitative approach. — San Francisco : Morgan Kaufmann, 2003. ISBN 155860-596-7.

59. Васильев, E.A. Микроконтроллеры. Разработка встраиваемых приложений. — Спб. : БХВ-Петербург, 2008.

60. Heath S. Embedded systems design. EDN series for design engineers. — Oxford : Elsevier Science, 2003.

61. Бродин В.Б., Калинин A.B. Системы на микроконтроллерах и БИС программируемой логики. —М. : ЭКОМ, 2002.

62. Грушвицкий И.Р. Проектирование систем на микросхемах программируемой логики. — СПб. : БХВ-Петербург, 2002.

63. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. — СПб. : БХВ-Петербург, 2004.

64. Соловьев Ю.А. Комплексирование глобальных спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС и GPS с другими навигационными измерителя ми. —М.: Радиотехника, 1999.

65. Quartus IIHandbook Version 10 1. : Altera corp., 2010.

66. Introduction to the Nios II Softwai e Build Tools. : Altera corp., 2010.

67. Altera Software Licensing Options. Официальный интернет-сайт фирмы Алыпера http://www.altera.com/download/licensing/overview/lic-overview.html.

68. Нечаев Е.Е. Применение встраиваемых процессоров на ПЛИС для идентификации навигационных параметров. М. : // Научный вестник МГТУ ГА №159, 2010.

69. The NMEA 0183 Protocol, б.м. : NMEA, 2001.

70. Interface Between Data Terminal Equipment and Data Circuit-Terminating Equipment Employing Serial Binary Data Interchange. : (EIA), Electronics Industries Alliance, 1996.

71. SOPC Builder User Guide. : Altera corp., 2010.

72. Nios II Hardware Development Tutorial. : Altera corp., 2010.

73. Stratix IIDevice Handbook, б.м. : Altera corp., 2009.

74. Официальный интернет-сайт Eclipse Foundation. http://www.cclipse.org/. В Интернете.

75. С и г( пег, Werner. The Receiver Independent Exchange Format. — Bern.: Astronomical Institute University of Bern, 2007.

76. Официальный интернет-сайт ЗАО «КБ «НАВИС». В Интернете. http://www.uavis.ru.

77. GPS Generator Pro User Manual. USA : Avangardo corp., 2010.

78. Нечаев E.E. К вопросу построения интегрированных навигационных систем на базе ПЛИС// Научный вестник МГТУ ГА №136 (12), серия «Навигация и УВД». — М. : МГТУ ГА, 2008.

79. Исаев Е.Е. . К вопросу нелинейной обработки навигационных параметра > комплексированных спутниковых навигационных систем// Научный вестник МГТУГА №152 (2). М. : МГТУ ГА, 2010.