автореферат диссертации по транспорту, 05.22.13, диссертация на тему:Повышение точности и надежности комплекса навигационных средств обеспечения полетов с использованием обратной связи по решению навигационной задачи

На правах рукописи

ПИЧУГИН СЕРГЕЙ МИХАЙЛОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ КОМПЛЕКСА НАВИГАЦИОННЫХ СРЕДСТВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОЛЕТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ ПО РЕШЕНИЮ НАВИГАЦИОННОЙ ЗАДАЧИ

Специальность 05.22.13 - Навигация и управление воздушным движением

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 ^сЗ 2015

МОСКВА-2014

005559116

005559116

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет гражданской авиации» (МГТУ ГА).

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский

государственный технический

университет гражданской авиации» (МГТУ ГА), профессор кафедры. «Технической эксплуатации радиоэлектронного оборудования воздушного транспорта» Рубцов Виталий Дмитриевич

доктор технических наук, профессор, ФГБУ «Центральный научно-исследовательский институт ВВС МО РФ», ведущий научный сотрудник НИЦ АТ и В Соловьев Юрий Арсеньевич

доктор технических наук, старший научный сотрудник, Государственный научный центр Российской Федерации ОАО «Летно-исследоватеяьский

институт им. М.М. Громова», заместитель начальника НИО-9 Кольтов Игорь Анатольевич

Ведущая организация:

Филиал «Научно-исследовательский институт Аэронавигации» ФГУП ГосНИИ ГА

Защита состоится 20/^года в

диссертационного совета Д 123.011.01 в ФГБОУ

со

часов на заседании ВПО «Московский государственный технический университет гражданской авиации» по адресу: 125993, Москва, А-493, ГСП-3, Кронштадтский бульвар, д, 20, ауд. 12 Р.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ ГА и на сайте www.mstuea.ru.

Автореферат разослан <</(А> 20^-7

Ученый секретарь диссертационного совета* доктор технических наук, профессор

\

Самойленко В.М.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. На сегодняшний день спутниковые радионавигационные системы (СРНС) нашли широкое применение во многих отраслях промышленности и сферах современной жизни. Аппаратура потребителей (АП) СРНС становится основным навигационным устройством при решении задачи определения местоположения воздушных, космических, наземных и морских потребителей. Это является следствием того, что современные СРНС обладают такими характеристиками как; глобальность рабочей зоны, высокая точность и непрерывность измерения навигационных параметров потребителей.

В связи с последовательным введением концепции ИКАО СЫБ/АТМ предусматривается использование СРНС не только в целях навигации, но и для наблюдения за воздушным пространством в целях УВД (принцип автоматического зависимого наблюдения (АЗН)). В связи с этим значительно ужесточились требования к АП СРНС, что привело к необходимости совершенствования методов повышения точности и надежности определения координат и составляющих вектора скорости воздушных судов (ВС) с применением СРНС.

Несмотря на свои достоинства СРНС имеет ряд недостатков: пропадание сигналов навигационных спутников (НС) при затенениях приемной антенны, низкий уровень принимаемого сигнала, относительно низкая частота выдачи навигационных параметров. При затенении приемной антенны конструкцией ВС или при высокой маневренности ВС в АП СРНС возможны срывы в слежении за сигналами от НС. Это обстоятельство влечет за собой потерю сигналов от НС, и как следствие уменьшение числа НС, что в свою очередь, влияет на точность определения навигационных параметров ВС или приводит к прекращению навигации в АП СРНС. В АП СРНС канал, по которому был срыв в слежении за сигналом от НС, дает ошибку в измерении псевдодальности (ПД) и псевдоскорости (ПС), которая в свою очередь ухудшает точность определения местоположения ВС.

Таким образом, соответствие современным требованиям ИКАО к навигационному обеспечению ВС, при решении задач, предъявляющих высокие требования по точности и надежности к определению положения ВС, типа заход на посадку или посадка, может быть выполнено только лишь при весьма высоких характеристиках АП СРНС. Добиться этого в условиях затенений сигналов от НС, неблагоприятного взаимного расположения НС, перерывов в слежении за их сигналами с использованием только существующих АП СРНС является затруднительным. В связи с этим становится актуальной задача разработки новых методов обработки данных в АП СРНС, а так же методов ее совместной работы с другими навигационными системами, в частности инерциальной навигационной системой (ИНС) и импульсно-фазовыми радионавигационными системами (ИФРНС). Применение таких интегрированных систем позволит, в полной мере сохранив достоинства каждой из систем, существенно снизить влияние их недостатков.

Из изложенного выше следует актуальность проведения научных исследований по теме диссертации.

Цель и задачи исследований. Целью данной диссертации является повышение эффективности средств обеспечения; полетов путем разработки методов улучшения точности и надежности навигационного комплекса, включающего в себя АП СРНС, ИНС и приемоиндикатор (ПИ) ИФРНС.

Для решения поставленной задачи необходимо следующее:

1. Разработка и исследование алгоритма управления устройствами слежения за параметрами сигналов НС с использованием обратной связи по решению навигационной задачи (НЗ), применимого как при автономной работе АП СРНС, так и при ее совместном использовании с ИНС и ПИ ИФРНС.

2. Оценка зависимости точности определения местоположения ВС от числа НС в рабочем созвездии, их взаимного расположения и числа оцениваемых параметров.

3. Исследование возможности применения ИФРНС в качестве резервной, навигационной системы для повышения точности и надежности комплекса: навш-ационных средств обеспечения полетов.

4. Экспериментальное определение необходимой периодичности ввода поправок к навигационным параметрам в ПИ ИФРНС по данным от АП СРНС с учетом пространственно-временной изменчивости дополнительного набега фазы сигналов ИФРНС.

Методы исследований. В работе использовались методы математического моделирования, математического анализа, матричного исчисления, теории оптимального оценивания, а так же экспериментальные исследования.

Достоверность результатов работы подтверждается физической обоснованностью используемых математических моделей в алгоритмах навигационных определений с использованием информации от АЛ СРНС, ИНС и ПИ ИФРНС, а также корректным использованием адекватного решаемым задачам математического аппарата.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней;

1. Предложен алгоритм определения навигационных параметров ВС в АП СРНС, при котором сигналы управления в контурах слежения за параметрами сигналов НС связаны друг с другом через решение НЗ и проведен его анализ.

2. Показано, что совместное использование АП СРНС и ИНС с использованием обратной связи по решению НЗ позволяет уменьшить вероятность срывов слежения за параметрами сигналов НС при работе на высокодинамичных ВС И ускорить процедуру поиска сигналов НС при их кратковременной потере.

3. Показано, что использование неитерационного алгоритма определения местоположения ВС при работе по сигналам ИФРНС позволяет осуществлять навигационные определения при работе на границе рабочей зоны, когда итерационный алгоритм не работоспособен из-за неблагоприятного расположения опорных станций.

4. Экспериментально показано, что дополнительный набег фазы сигналов ИФРНС обладает пространственной изменчивостью, и эффективное использование коррекции навигационных параметров в ПИ ИФРНС по данным от АП СРНС на подвижном объекте возможно лишь при вводе поправок с периодичностью порядка нескольких минут.

На защиту диссертационной работы выносятся следующие основные положения:

1. Алгоритм работы АП СРНС с использованием обратной связи по решению НЗ, применимый как при автономной работе АП СРНС, так и при ее совместном использовании с ИНС и ПИ ИФРНС.

2. Результаты исследования предложенного алгоритма работы АП СРНС с использованием обратной связи по решению НЗ методами математического моделирования.

3. Результаты обработки экспериментальных данных совместного применения АП СРНС и ПИ ИФРНС, позволяющие определить требуемую периодичность ввода поправок к навигационным параметрам в ПИ ИФРНС при ее коррекции по данным от АП СРНС.

Практическая значимость работы состоит в том, что полученные в ней результаты позволяют:

- расширить возможности использования АП СРНС при решении задач навигации ВС и УВД с АЗН за счет увеличения точности навигационных определений и уменьшения вероятности срывов слежения за параметрами сигналов НС;

- повысить точностные и надежностные характеристики навигационного комплекса, включающего в себя АП СРНС, ИНС и ПИ ИФРНС, за счет совершенствования методов совместного использования данных от них;

- уменьшить время восстановления навигационных определений при срывах слежения за параметрами сигналов НС при затенении НС горными образованиями, элементами конструкции ВС и при установке АП СРНС на высокодинамичные ВС;

- обеспечить работу АП СРНС при ограниченной группировке НС при проведении работ по поиску терпящих бедствие в условиях гористой местности.

Внедренне результатов. Основные результаты работы внедрены в ОАО «Московское конструкторское бюро «Компас» и в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет гражданской авиации» (МГТУ ГА), что подтверждено соответствующими актами.

Основные результаты исследований, изложенные в диссертационной работе, получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии. Личный вклад автора состоит в постановке задач исследования, разработке теоретических моделей и методик экспериментальных исследований, в

обработке и анализе полученных результатов и оформлении их б виде публикаций и научных докладов.

Апробация результатов,. Материалы диссертации докладывались на Международной научно-технической конференции «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества», посвященной 85 -летаю гражданской авиации России (Москва, МГТУ ГА, 2008 г.); на Пятнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (Москва, МЭИ (ТУ), 2009 г.); на Четвертой отраслевой научной конференция-форуме «Технологии информационного общества» (Москва, МТУСИ, 2010 г.) и на. Семнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (Москва, МЭИ (ТУ), 2011 г).

Публикация результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в 8 работах автора, 3 из которых - в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации материалов кандидатских диссертаций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и списка иллюстративного материала. Диссертация содержит 116 страниц текста, 46 рисунков, 15 таблиц и библиографию из 47 наименований.

Содержание работы

В первой главе диссертационной работы производится анализ зависимости точности определения координат и составляющих скорости ВС в АП СРНС от количества НС в рабочем созвездии, их взаимного расположения и режима работы АП СРНС. Рассматривается возможность связать расчет сигналов управления в контурах слежения за параметрами сигналов НС через решение НЗ.

Основной целью работы АП СРНС является определение координат и составляющих вектора скорости ВС, а так же коррекция его бортовой шкалы времени. Для этого в АП СРНС осуществляется расчет вектора состояния ВС, который включает в себя следующие параметры

//=[xzz K,V„K, t:„F„1 (1)

где х.УЛ - координаты ВС, м;

i'„vr,v. - составляющие скорости ВС, м/с;

Г - уход шкалы времени АП СРНС относительно системного времени СРНС, с;

jtr - скорость ухода шкалы времени АП СРНС относительно системного времени СРНС, Гц.

Среднеквадратическое отклонение (СКО) погрешности определения местоположения ВС можно представить Как произведение двух сомножителей: СКО погрешности псевдодальномерных измерений ст и некоторого коэффициента, характеризующего пространственное взаимное расположение НС и ВС

сг, =фп1се(Н7Н)-'<т} (2)

где с, - СКО погрешности определения координат и времени ВС, а Н -матрица частных производных ПД по Ár¡. Этот коэффициент носит название «геометрического фактора».

С помощью разработанного математического программного комплекса производится оценка зависимости значения геометрического фактора и как следствие погрешности определения местоположения ВС в АП СРНС от режима работы АП СРНС и количества НС в рабочем созвездии. В таблице 1 приведены, полученные в результате моделирования, значения вертикального и горизонтального геометрического фактора в дальномерном и псевдодальномерном режимах работы АП СРНС. Из нее видно, что при работе по двум СРНС значение геометрического фактора ухудшается по сравнению с работой по каждой из систем в отдельности. Дальномерный режим работы при избыточном числе НС позволяет получить выигрыш в точности определения навигационных параметров ВС, в частности погрешность определения высоты уменьшается приблизительно в 1.5 раза.

Таблица 1 - Значения геометрического фактора при псевдодальномерном режиме работы с четырьмя, пятью оцениваемыми навигационными параметрами, а так же при работе в дальномерном режиме (три оцениваемых навигационных параметра)

Режим работы N+=6 N=8 N=12

HDOP VDOP HDOP VDOP HDOP VDOP

Дальномерный (3 неизвестных) 1.909 1.775 1.379 1.291 1.098 1.049

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

Псевдодально- мерный (5 неизвестных) 3.1971 3.5060 2.2298 2.6284 1,3351 1.6062

* Число НС в рабочем созвездии.

В существующей АП СРНС по завершении режима пояска сигналов видимых НС каждому обнаруженному НС назначается свой канал в корреляторе. Слежение за параметрами сигналов НС в каждом канапе коррелятора осуществляется индивидуально.

В работе предлагается и исследуется метод расчета навигационных параметров ВС, при котором сигналы управления в контурах слежения за параметрами сигналов НС связаны друг с другом через решение НЗ.

На рисунке 1 приведена блок-схема данного алгоритма работы АП СРНС. В отличие от обычной схемы выходы всех корреляторов используются одновременно для вычисления координат и составляющих скорости ВС.

Полученные значения с учётом известных текущих координат НС пересчитываютея в векторы сигналов управлен ия каналами коррелятора.

Сигналы управления ГеисргпораыаПСП и генераторами, упрашВЕкпшсми частошй в корреляторе

Мсцудь вычиеяепи* еигнатоа >т1рав]«кия к©р}хя*тор6»

Кор {НДЖТОр бмзелемпе еппваов рвсслгласймЬ я» ыи. кзиерех ким м тмесушей смгюлСемнз: " «внадое

Выходные данные--коррелятора: сигказы-рассолласобания по кодовым и1чере«гиям1г ло частоте лссущсй

Программный модуль Оценка координат я скорости

ЧФ

Выходкыа данные: вектор ! координат скоростей к яременныспзрамгтры

Рисунок \ — Блок -схема работы АП СРНС с использованием обратной связи по

решению ИЗ

Исходными данными для расчетов являются сигналы рассогласования по частоте (л*) и сигналы рассогласования по фазе кода (г) принимаемого сигнала по всем каналам, которые участвуют в решении ИЗ. Кроме этого в качестве исходных данных, имеются:

- матрица направляющих косинусов Я,

— и ее псевдообратная матрица О.

На основе этих данных осуществляется расчет скорости движения ВС следующим образом;

С! =СЫ,

а)=ак;(3)

где =0.02,с; К,=0,025; К2=0.00625. Координаты ВС рассчитываются как

= бе,

V* =У£л+Ке11>., (4)

яг^ш'-чг/',

где Т,1 =0.02,АГ =0.02.

Полученные значения К/и V1 используются для вычисления кодов управления коррелятором. Для расчета кодов управления каналами слежения за частотой принимаемого сигнала выполняется следующее вычисление

Г^НК, ^ (5)

где Р — это вектор-столбец, каждая компонента которого является значением; смещения частоты сигнала, принимаемого каждым работающим каналом, Гц.

Для расчета кодов управления сдвига ПСП

К =т", (6)

где V, ~ вектор-столбец, каждая компонента которого является скоростью изменения сдвига ПСП сигнала НС СРНС, принимаемого каждым работающим каналом коррелятора, м/с.

В работе был разработан математический программный комплекс, который позволяет исследовать работу АП СРНС, при котором сигналы управления в контурах слежения за параметрами сигналов НС связаны друг с другом через решение НЗ. Результаты моделирования работы предложенного алгоритма при установке АП СРНС на неподвижном объекте приведены в таблице 2. В ней приведены значения СКО определения координат и составляющих вектора скорости ВС в зависимости от значения ОСШ.

Таблица 2 - СКО определения координат и составляющих вектора скорости ВС в зависимости от ОСШ

ОСШ, дБ 33 30 27 24 23

длтг.м в плане 0.17 0.38 0.41 1.14 1.25

по высоте 0.45 0.68 0.96 1.27 1.45

Д!%,., м/с в плане 0.01 0.01 0.02 0.03 0.04

по высоте 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06

Так же было проведено моделирование данного алгоритма при установке АП СРНС на подвижном объекте. На рисунке 2 изображено значение ошибки измерения частоты принимаемого сигнала по одному из каналов слежения при действии ускорения 2g м/с2. При использовании алгоритма с первичной и вторичной обработкой ошибка определения частоты увеличивается до -30 Гц. При использовании совместного управления каждый канал поддерживается всеми остальными и ошибка в определении частоты составляет -5 Гц (рисунок 3).

При использовании схемы с первичной и вторичной обработкой при значении ОСШ менее 30 дБ при действии ускорения начинаются срывы в слежении за частотой принимаемого сигнала. При использовании совместного управления каждый канал поддерживается всеми остальными и срывов не происходит, рисунок 4. В этом случае работа возможна при значениях ОСШ до 23 дБ. При этом значение ошибки определения частоты увеличивается до -9 Гц. В случае, когда сигналы управления в контурах слежения за параметрами сигналов НС связаны друг с другом через решение НЗ, вероятность срыва слежения, нарушающего правильную работу АП СРНС, при определенном уровне помех по одному или нескольким каналам, как это видно из результатов Моделирования, заметно снижается. Поэтому данный алгоритм повышает помехоустойчивость АП СРНС, как это следует из результатов моделирования,

на 5...7 дБ.

7. Га

""""'"""'" .т г...........'......

И1

за -х- кз лм: -е::- пи _::о

Рисунок ,2 — Ошибка, определения частоты в АП СРНС с первичной и вторичной обработкой при значении ОСШ, равном 30 дБ

ЛГ»

5 I-::- -с-г м-:: г:-;: и;:

Рисунок 3 - Ошибка определения частоты в АП СРНС с использованием алгоритма слежения за сигналами НС по результатам решения навигационной задачи при значения ОСШ, равном 30 дБ

Во второй

диссертационной исследуются вопросы, особенностей

главе работы касающиеся совместного

применения AIT СРНС и ИНС. Приводится: реализация алгоритма, при котором расчет сигналов управления в контурах слежения за параметрами сигналов НС осуществляется с использованием * результатов решения НЗ, как части схемы комплексирования АП СРНС с ИНС,

На рисунке 5 представлена блок-схема предложенного алгоритма совместной работы АП СРНС и ИНС, Координаты и составляющиевектора скорости, полученные от АП СРНС (Х^), вычитаются из координат и составляющих вектора скорости, полученных от ИНС (Л^.). Эти разностные измерения фильтруются с использованием линейного фильтра Калмана. В результате фильтрации получается оценка вектора состояния ВС и оценка ошибки ИНС. Оценка вектора состояния ВС в дальнейшем служит для построения векторного управления. Сам: алгоритм управления устройствами слежения за сигналами НС с использованием результатов решения НЗ обозначен на рисунке 5 как блок векторного управления.

Рисунок 4 — Ошибка, определения частоты в AIT СРНС с использованием алгоритма слежения за сигналами НС по результатам решения навигационной задачи при значении ОСШ, равном 23 дБ

Рисунок 5 - Схема комгагексирования АЛ СРНС и МНС с использованием обратной связи по решению навигационной задачи

В этом случае уравнение расчета скорости движения ВС (формула 3) с учетом данных от ИНС примет следующий вид

а) = +Кгзг,

. У?-УГ+ТА^+а^ + (?)

, = и.

где а^ [а|, а*, а*]- ускорения ВС от ИНС, м /с1.

По аналогии уравнение для расчета координат ВС (формула 4) примет

вид

^УуЯ+Т^.+К^, (8)

хгг* = АТ?1"' + ГЙГ'А. Согласно схеме тесяосвязанного; комплексирования с целью улучшения качества слежения за параметрами НС в следящие схемы АП СРНС вводится; поддержка от ИНС- Для этого по известным от ИНС координатам, скоростям и ускорениям ВС и рассчитанным по

эфемеридным данным координатам, скоростям и ускорениям к-го НС ,

, рассчитывается ПД (РКк), ПС и радиальное

ускорение (Ак) ВС относительно данного к-го НС. Ввиду ограниченности материала автореферата алгоритм расчета не приводится.

Для поддержки слежения за кодом полученные навигационные параметры нересчитываются в задержку г'и фазу <?1 кодаПСП.

Для поддержки слежения за частотой принимаемого сигнала значение ПС и радиальное ускорение ВС относительно данного к-го НС пересчитываются в

частоту принимаемого сигнала и производную частоты /'.

В случае потери слежения за параметрами к-го НС задержка тк и фаза ¡р* кода ПСП, частота принимаемого сигнала /' и производная частоты /' используются в качестве начальных значений следящих фильтров для быстрого восстановления слежения. Тем самым сокращается время поиска сигнала НС и время вхождения в режим слежения.

В третьей главе диссертационной работы проводится анализ возможности использования ИФРНС в качестве резервной навигационной системы. Производится исследование возможности коррекции навигационных параметров в ПИ ИФРНС по данным от АП СРНС.

В начале главы рассматриваются принципы функционирования аппаратуры приема и обработки данных от ИФРНС, производится оценка получаемой при этом точности определения местоположения ВС. Проводится сравнительный анализ итерационного и прямого (неитерационного) алгоритмов определения местоположения ВС по сигналам ИФРНС,

В работе предлагается следующий алгоритм коррекции навигационных параметров в ПИ ИФРНС по данным от АП СРНС. По известным координатам ВС, определенным в АП СРНС, в период времени, когда это возможно при условии видимости достаточного для полноценных навигационных определений числа НС, рассчитываются расстояния от ВС до каждой станции ИФРНС в цепочке, по которой ведется работа. Далее определяются поправки к ЛД, полученным в ПИ ИФРНС

Дг = тСГ11С -тИФРцС, (9)

где т1ЮРНС и та.№ - соответственно, измеренные и вычисленные значения навигационных параметров, с.

Вычисленные значения та,и<. получаются на основе точных определений координат ВС с помощью АП СРНС и известных координат наземных станций ИФРНС. Далее по скорректированным ПД осуществляется расчет местоположения ВС.

На рисунке 6 показана блок-схема данного алгоритма коррекции.

Измеренные ПД от ПИ ИФРНС

Коордннаты от АН СРНС

1

1

Расчет ПД до

наземных Расчет поправок Расчет

станций коорд|<нат ВС

Координаты ВС

Рисунок 6 - Блок-схема коррекции навигационных параметров в ПИ ИФРНС по данным от

АП СРНС

Для исследования указанного алгоритма коррекции были произведены испытания с использованием аппаратуры, которая содержит в своем составе устройство приема и обработки сигналов СРНС и ИФРНС. Испытания проводились в фиксированной точке с известными координатами.

На рисунке 7 показаны результаты оценки погрешностей Ах определения плановых координат по сигналам ИФРНС. После коррекции канала ИФРНС по информации от АП СРНС (рисунок 8) систематическая погрешность существенно уменьшается. При этом большая часть ошибок, за исключением ряда выбросов, составила не более 30 м.

Рисунок 8 - Ошибка измерения плановых координат в ГШ ИФРНС с Коррекцией от АП СРНС

На рисунке 9 приведены результаты измерений, когда после 100 с совместной работы ПЙ ИФРНС и АП СРНС происходит пропадание спутникового сигнала и работа продолжается с использованием последней коррекции. Незначительное повышение ошибки начиная с 2500 с связано с возмущениями в ионосфере.

Результаты испытаний приведены в таблице 3. Из нее видно, что при коррекции измерений ПД в ПИ ИФРНС Рисунок 9 -- Ошибка измерения плановых по данным от АП СРНС среднее координат в ПИ ИФРНС с коррекцией от значение погрешности определения АП СРНС Прн отключении данных о, АП плановых к00рдинат в ПИ ИФРНС

уменьшается в 4.5 раза. Как видно из результатов эксперимента, дополнительный, набег фазы сигналов ИФРНС обладает высокой временной устойчивостью. Погрешность определения местоположения по сигналам ИФРНС во всех трех экспериментах в течение порядка часа оставалась относительно постоянной* Таким образом,

Рисунок 7 - Ошибка измерения плановых координат в ПИ ИФРНС без коррекций от АП СРНС

для стационарного объекта, произведя один раз корректировку измерений навигационных параметров в ГШ ИФРНС по данным от АН СРНС, можно на достаточно продолжительном интервале времени получить высокие точности (порядка 30 м) определения местоположения ВС по сигналам ИФРНС.

Была произведена оценка пространственной изменчивости дополнительного набега фазы сигналов ИФРНС. Она выполнялась путем анализа экспериментальных данных, полученных в ходе полетов ВС в Поволжье в районе Астраханской области. Эти данные представляют собой значения широты и долготы, полученные в результате работы совмещенной АН СРНС и НИ ИФРНС.

Таблица 3 - Полученные в ходе экспериментов погрешности определения

плановых координат по сигналам ИФРНС

ПИ ИФРНС без коррекции по АП СРНС ПИ ИФРНС с коррекцией по АП СРНС ПИ ИФРНС с коррекцией и последующим пропаданием данных от All СРНС

Среднее значение, м 67 12.5 14.7

СКО, м 7 7 7.8

На рисунке 10 приведены ошибки по широте и долготе при работе ПИ ИФРНС в автономном режиме. Из данного рисунка видно, что ошибка по широте лежит в пределах от 40 до 90 м, со средним значением, равным 63 м. В свою очередь, ошибка по долготе находится в пределах от 250 до 350 м, со средним значением, равным 300 м.

На рисунке 11 приведены ошибки по широте и долготе в ПИ ИФРНС, скорректированной на всем интервале полета, при вводе поправок с периодичностью раз в минуту.

Рисунок 10 - Ошибка определения широты и долготы в ПИ ИФРНС в автономном режиме работы

Рисунок I! - Ошибка определения широты а долготы в ПИ ИФРНС при его коррекции от АН СРНС

Из рисунка ] 1 видно, что при коррекции измерений Г1Д в ПИ ИФРНС по данным от АП СРНС, ошибка по широте лежит в пределах от -20 до 30 м, со

средним значением, равным 25 м. Ошибка по долготе находится в пределах от -50 до 50 м, со средним значением, равным 50 м.

Из анализа рисунков 10-11 видно, что при коррекции измерений ПД в: ПИ ИФРНС по данным от АП СРНС среднее значение погрешности определения широты уменьшается в 2.5 раза, а долготы - в 7 раз.

На основе данных экспериментального полета была получена пространственная изменчивость поправок 4т по каждой из станции. Эти зависимости приведены на рисунке 12.

Из него видно, что в среднем на всем интервале полета на интервалах 250-300 с рассчитанные поправки сохраняли относительную стабильность. При средней скорости движения ВС, на котором проводились экспериментальные полеты, равной 170 м/с, расстояние, в пределах которого применима полученная по данным от АП СРНС поправка, составило 50 км.

Уй , ■ А-

ЩШтШ^ - ! ■

>5: ex.

S' 2

I 5

I s 5 I По I

о b © =i о S

Время, с

Рисунок i 2 - Изменение поправок к ПД в ПИ ИФРНС е расстоянием

Из результатов оценки экспериментальных полетов видно, что дополнительный набег фазы сигналов ИФРНС обладает высокой пространственной изменчивостью. Это связано с изменением проводимости подстилающей поверхности на трассе распространения сигнала от станции до ВС, Точность на уровне ±50 м при отказе АП СРНС обеспечивается на расстояниях до 50 км от места последней коррекции ПИ ИФРНС.

Результаты экспериментов показывают целесообразность использования скорректированных по данным от АП СРНС навигационных параметров от ПИ ИФРНС при отказе АП СРНС при выполнении задач, требующих малого времени работы. Например, для захода на посадку при кратковременных потерях навигации в АП СРНС при затенении приемной антенны элементами конструкции ВС или местными предметами при эволюциях ВС.

Заключение

В результате проведенных исследований получены следующие основные научные результаты:

1. Предложен и исследован алгоритм расчета координат и составляющих вектора скорости ВС, при котором сигналы управления в контурах слежения за параметрами сигналов НС связаны друг с другом через решение НЗ.

2. Произведена оценка зависимости точности навигационных определений в АП СРНС от числа НС в рабочем созвездии, их взаимного расположения и числа оцениваемых параметров как методами математического моделирования, так и с использованием орбитальных параметров существующих группировок НС СРНС ГЛОНАСС/СРБ.

3. На базе существующей АН СРНС и ИНС предложен алгоритм их совместной работы, при котором слежение за параметрами сигналов НС в рабочем созвездии является взаимосвязанным и определяется по результатам решения НЗ.

4. Предложен алгоритм ввода поправок от ИНС в контуры слежения за сигналами НС рабочего созвездия для уменьшения времени поиска сигнала и улучшения качества слежения за принятым сигналом.

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

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

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. В случае применения алгоритма слежения за параметрами сигналов НС по результатам решения НЗ, вероятность потери сигналов от НС по одному или нескольким каналам при затенении приемной антенны или при высокой маневренности ВС, нарушающих работоспособность АП СРНС, заметно снижается. Тем самым, применение этого алгоритма повышает помехоустойчивость АП СРНС, как это следует из результатов моделирования, на 5...7 дБ.

2. Дальномерный режим работы АП СРНС позволяет получить выигрыш в точности определения координат ВС, в частности погрешность определения высоты уменьшается приблизительно в 1.5 раза, что позволяет при комготексировании с автономными средствами навигации осуществлять решение задач навигации и категорированной посадки ВС. Однако применение данного режима требует высокой стабильности шкалы времени АП СРНС порядка

3. Совместное использование АП СРНС и ИНС с применением обратной связи по решению НЗ позволяет уменьшить шумы измерения навигационных

параметров, поскольку дает возможность уменьшить полосы следящих фильтров за параметрами сигналов НС за счет использования данных, полученных от ИНС, а так же ускорить процедуру поиска сигналов НС при их кратковременной потере,

4. Как видно из анализа экспериментальных данных, при совместном использовании АН СРНС и ПИ ИФРНС существует возможность коррекции систематической ошибки в ПИ ИФРНС за счет использования данных измерений, полученных от АЛ СРНС. При установке ПИ ИФРНС на неподвижном объекте дополнительный набег фазы сигналов ИФРНС обладает высокой временной устойчивостью. При этом, произведя один раз корректировку измерений в ПИ ИФРНС по данным от АП СРНС можно на достаточно продолжительном интервале времени порядка 1-го часа получить высокие точности определения местоположения по данным от ПИ ИФРНС, порядка 30 м.

5. При установке ПИ ИФРНС на подвижном объекте дополнительный набег фазы сигналов ИФРНС обладает пространственной изменчивостью, и эффективное использование коррекции навигационных параметров в ПИ ИФРНС по данным от АП СРНС возможно лишь при вводе поправок с периодичностью порядка нескольких минут. Результата анализа полетаых данных показали, что при вводе поправки с периодичностью раз в одну минуту величина ошибки составляет не более 50 м.

Величина времени, в течение которого данная поправка будет действительна при пропадании сигнала от СРНС, зависит от скорости движения ВС и от изменения Характеристик подстилающей поверхности.

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

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

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

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

В прочих изданиях:

4. Пичугин, С.М. Анализ алгоритмов определения местоположения потребителя на поверхности земного эллипсоида для радионавигационных систем с наземным базированием опорных станций / С.М. Пичугин, М.В. Немченко // Новости навигации. - М.: ОАО «НТЦ современных навигационных технологий «Интернавигация». - 2014. - №2. - С. 9-11,

5. Пичугин, С.М. Совместное использование импульсно-фазовых и спутниковых радионавигационных систем / С.М. Пичугин, П.В. Трошин // Т-Сошш Телекоммуникации и транспорт. Выпуск по итогам 4-й отраслевой научной конференции «Технологии информационного общества». - М.: ООО «Издательский дом Медиа Паблишер». - 2010. - №9. - С.118-121.

6. Пичугин, С.М. Исследование алгоритмов комплексной обработки данных спутниковой радионавигационной и инерциальной навигационной систем / С.М. Пичугин, Е.А. Душистов // Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества. Тезисы докладов Международной научно-технической конференции, посвященной 85-летию гражданской авиации России. -М.: МГТУ ГА, 2008. - С. 160.

7. Пичугин, С.М. О зависимости точностных характеристик аппаратуры потребителя спутниковых радионавигационных систем (СРНС) от числа оцениваемых параметров / С.М. Пичугин // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Пятнадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов. В 3 т. - М.: Издательский дом МЭИ, 2009.-Т.1.-С. 374-375.

8. Пичугин, С.М. Повышение помехоустойчивости навигационных определений по сигналам спутниковых радионавигационных систем (СРНС) с использованием векторной обработки / С.М. Пичугин // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Семнадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов. В 3 т. М.: Издательский дом МЭИ, 2011. - Т. 1. - С. 146.

Соискатель

Пичугин С.М.

Печать офсетная 1,05 усл.печ. л.

Подписано в печать 13.01.15 г. Формат 60x84/16 Заказ № 1935/ /У

1,0 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, 2015