автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Повышение точности местоопределения радионавигационных систем средневолнового диапазона

На правах рукописи УДК 621.396.98

САФОНОВ Александр Вячеславович

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ МЕСТООПРЕДЕЛЕНИЯ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ СРЕДНЕВОЛНОВОГО ДИАПАЗОНА

Специальность: 05.12.04 - "Радиотехника, в том числе системы и устройства радионавигации, радиолокации и телевидения, по техническим наукам"

Автореферат диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2004

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении "Московская академия рынка труда и информационных технологий"

Научный руководитель: кандидат технических наук,

старший научный сотрудник Мосяков Евгений Александрович. Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор

Умрихин Юрий Дмитриевич;

доктор технических наук, профессор

Колганов Сергей Константинович.

Ведущая организация:

ОАО МКБ "Компас"

Защита диссертации состоится

«в» ^2

2004 года в

11.

час.

на заседании диссертационного совета Д 850.001.01 при Московской академии рынка труда и информационных технологий по адресу: 121351, Москва, ул. Молодогвардейская, д. 46, корпус 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии

Автореферат разослан

2004г.

Ученый секретарь диссертационного кандидат технических наук, профессор

ересов Ю.И.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Возрастающие требования по повышению точности координирования при выполнении боевых действий и проведении работ по разведке и добыче полезных ископаемых в зоне континентального шельфа выдвигают на передний план вопрос обеспечения всех видов морских объектов средствами высокоточного определения их текущего местоположения.

Многим из приведенных выше задачам соответствуют сетевые глобальные радионавигационные системы космического базирования GPS (США) и ГЛОНАС (РФ). Однако бытующее до недавнего времени мнение о возможности вытеснения ими из эксплуатации всех РНС наземного базирования не подтвердилась на практике. Главной причиной этого стала малая помехоустойчивость этих систем в силу малой энергетики их сигналов.

Поэтому РНС средневолнового (СВ) диапазона рассматриваются отечественными и зарубежными специалистами не только как самостоятельные навигационные средства, позволяющие выполнять операции, связанные с необходимостью точного местоопределения, а также как полезное дополнение к спутниковой РНС. В настоящее время GPS развернута полностью и эксплуатируется в штатном режиме, обладая всеми объявленными характеристиками по доступности, надежности и точности местоопределения, в то время как отечественная система ГЛОНАС по причинам экономического характера не доведена до такого состояния. Вследствие чего вопрос высокоточного навигационного обеспечения морских объектов с помощью СВ РНС продолжает быть весьма важным с учетом упомянутой необходимостью работ на континентальном: шельфе крайне необходимых для экономики России.

В нашей стране накоплен богатый опыт создания РНС СВ диапазона. Начиная с 60-ых годов прошлого столетия, были разработаны и внедрены в серийное производство две РНС:

1968г.-базовая радионавигационная автоматизированная

радионавигационная система (БРАС-3);

1985г.-базовая радионавигационная необслуживаемая

радионавигационная система PC-10.

Эти системы работают в диапазоне 1,6 - 2,1 МГц и обладают взаимной аппаратурной преемственностью.

Они обеспечивают однозначное, круглосуточное местоопределение морских объектов с метровой точностью в любое время суток на дальностях 200-400 км.

Заданные в разработку для выполнения оборонных и народнохозяйственных задач эти системы обладают высокой помехозащищенностью. РНС PC-10, выполненная с использованием перспективных цифровых программных способов обработки радионавигационной информации на встроенном специализированном вычислителе (по структуре открытой вычислительной системы, позволяющей наращивание) существенно

3. Прежде всего, это относится к инструментальной точности и помехозащищенности.

В 2003г. вновь поставлена задача разработки новой СВ РНС, обладающей повышенной точностью местоопределения. Из изложенного можно сделать вывод об актуальности проведения исследований по теме диссертации.

Цель и задачи исследований. Целью работы является разработка методов и средств повышения точностных характеристик РНС средневолнового диапазона.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих

задач:

-анализ факторов, влияющих на точность навигационных измерений;

-анализ возможностей повышения точности. местоопределения подвижных объектов, действующих на морских акваториях;

-поиск способов сокращения погрешностей определения текущих координат объектов по сигналам СВ РНС;

-разработка способов и средств внутрисистемного мониторинга и коррекции фазовых характеристик сигналов опорных станций СВ РНС;

-разработка средств выработки и учета корректирующих поправок за фазовую девиацию приемных антенн.

Объект исследования. Объектом исследования являются СВ РНС, содержащие в своем составе наземное оборудование — опорные станции с точно известными координатами размещения, излучающие когерентную последовательность импульсных радиосигналов, и неограниченное число бортовых приемоиндикаторов (ПИ), определяющих текущие координаты подвижных морских объектов по сигналом опорных станций.

Предмет исследования. Предметом исследования являются причины возникновения систематической составляющей погрешности определения координат объектов и пути и способы минимизации этой погрешности.

Методы исследований. При решении перечисленных выше задач в работе были использованы прикладные методы теории распространения радиоволн, теории случайных процессов и методы математического моделирования.

Научная новизна. Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней впервые проведен системный анализ путей сокращения систематической составляющей погрешностей СВ РНС и разработаны средства, обеспечивающие это сокращение.

В диссертации получены следующие основные результаты:

1. Разработан способ автоматической калибровки РНС;

2. Получены расчетные соотношения для оценки влияния условий распространения сигналов средневолнового диапазона на точностные характеристики РНС;

3. На основе полученных соотношений разработано программно-математичбское обеспечение для количественных оценок систематических погрешностей во всей рабочей зоне СВ РНС;

] .'».иощ-.ч«:: |

4. Разработан способ оценки фазовой девиации приемных антенн для последующей их компенсации;

5. Проведена оценка доли сокращения погрешностей местоопределения при практическом использовании разработанных способов;

6. Сформулирован перечень необходимых доработок программного обеспечения отечественной СВ РНС РС-10, позволяющий обеспечить 2...3х кратное сокращение систематической составляющей ее погрешности.

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

-провести предварительную оценку долю систематической погрешности местоопределения в рабочей зоне РНС;

-сократить время готовности РНС к навигационному обеспечению и повысить точность абсолютного местоопределения СВ РНС за счет введения автоматической калибровки;

- сократить долю систематической погрешности местоопределения из-за фазовой девиации приемных антенн бортовой аппаратуры.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Способ автоматической калибровки РНС.

2. Способ выработки поправок на фазовую девиацию приемных антенн при размещении бортовой аппаратуры на объекте.

3. Расчетные соотношения для оценки систематических погрешностей местоопределения, обусловленных искажениями фазовой структуры электромагнитного поля поверхностных сигналов.

4. Программно-математическое обеспечение для количественных оценок систематических погрешностей местоопределения СВ РНС.

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

-провести предварительную оценку долю систематической погрешности местоопределения в рабочей зоне РНС;

-сократить время готовности РНС к навигационному обеспечению и повысить точность абсолютного местоопределения СВ РНС за счет введения автоматической калибровки;

- сократить долю систематической погрешности местоопределения из-за девиации приемных антенн бортовой аппаратуры.

Внедрение результатов. Результаты диссертационной работы внедрены в Московском конструкторском бюро "Компас" и ГОУ МАРТИТ, что подтверждено соответствующими актами.

Апробация результатов. Материалы диссертации докладывались и обсуждались:

-на научно-техническом семинаре "Концепция создания комплексированного оборудования навигации ", г. Москва, ГОУ МАРТИТ и МКБ "Компас", 2003г.;

-на научно-практической конференции "Инфокоммутационные технологии глобального информационного общества", г. Казань, ГТУ (КАИ), 2003 г.;

-на итоговой конференции Института проблем информатики Академии наук Республики Татарстан, г. Казань, 2004 г.

Публикация результатов. По теме исследований опубликовано 7

работ.

Структура и. объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, приложения и изложена на 125 листах основного текста. Работа иллюстрирована 5 таблицами и 43 рисунками. Список литературы содержит 49 источников.

Содержание работы Во введении обосновывается актуальность темы, определена цель и задачи исследования, научная новизна, основные научные положения, выносимые на защиту, и научно-практическая значимость диссертационного исследования.

В первой главе сформулирован перечень всех составляющих погрешности РНС, проанализированы источники и причины их возникновения. Из общего перечня выделен класс систематической составляющей, сокращение которой является целевой задачей данной работы.

При использовании позиционного метода положение объекта определяется как точка пересечения двух или более линий положения (ЛП). Определяемые ПИ координаты объекта могут быть представлены как компоненты двух- или трехкомпонентного вектора X. Измеряемые РНП рассматриваются как компоненты вектора Р, Размерность которого не должна быть меньше размерности вектора X. Очевидно, что каждый из измеряемых РНП функционально связан с координатами объекта.

В результате разложения Р в ряд Тейлора в окрестности точки Хо и сохраняя только члены первого порядка, будем иметь.

Р = Ро + Н(Х-Хо), где Р0 = Г (Хо). Или ДР=НДХ, где ДР=Р-Р0, ДХ=Х-Х0.

При известной ковариационной матрице ошибок измерений Б, если погрешности измерений РНП нормально распределенные случайные: величины, максимально правдоподобную оценку вектора координат можно

Л л

определить как Д X = С А Р,

где. С=В-,НтО'В=НтО-,Н (1)

При этом ковариационная матрица W погрешностей определения координат

о.,

\У = Н',0(Н,)т=

а1.

(2)

Для дальномерной 3 х станционной РНС матрица частных производных измеряемых РНП (квази-дальностей г)

где а,_ значения пеленгов из точки нахождения ПИ на ОС РНС (Рис. 1)

М =

\2

\2%\п(хг12)

О.

+ Р.2

сгд...ад

25т(у,/2)5ш(у2/2)

-СО50

. (5)

Рлп1,лп2

где т | и Шг — систематические погрешности измеренных РНП.

Правильное конструирование приемоиндикаторной аппаратуры РНС и ее эффективное использование в навигации возможно только при условии знаний закономерностей распространения радиоволн используемого частотного диапазона. Поэтому при изучении и практическом использовании РНС необходимо более детально, чем в других, например связных, радиотехнических устройствах учитывать, особенности распространения радиоволн. Скорость распространения радиоволн в свободном пространстве

1 ->

теоретически равна

гяЗ-10 км/с

Увеличение дополнительной фазы сигнала, начиная с расстояний ЗЛ и далее, обусловливается отставанием фазового фронта радиоволн из-за наличия подстилающей поверхности. Это приводит к замедлению фазовой скорости радиоволн с увеличением расстояния от излучателя. Таким образом, на разных расстояниях от излучателя фазовая скорость имеет разное значение. Для практических целей это представляет большое неудобство, так как требуются сложные расчеты; сеток изолиний РНС с переменной величиной Поэтому для рабочих зон РНС рассчитывается некоторая средняя рабочая фазовая скорость распространения радиоволн Уф.

Рассмотрим импульсно-фазовую (ИФ) двушкальную РНС, в которой первоначально производятся временные измерения по огибающей радиоимпульса, а затем производится более точное фазовое измерение в пределах одного периода несущей частоты. Единичное измерение времени прихода радиоимпульса даст результат ^ = ^ + Д^ (7)

с ошибкой Д^ существенно большей ошибки фазовых измерений Д«р(. На

Дф,

этом основании можно высказать гипотезу, что

где: и - целое число периодов и значение периода несущего колебания соответственно. Приравнивая правые части (7) и (8), получим

Т0 2л

2л

(9)

случайная составляющая Д; в правой части этого выражения для правильного определения N должна быть по абсолютной величине меньше,

Ат, | Дф,

чем 0,5

ы-

Т, 2л

<0,5,

(10)

Пусть Д; характеризуется математическим ожиданием а = Д;

(систематическая составляющая) и дисперсией . Следовательно вероятность правильного разрешения неоднозначности в двушкальной ИФ РНС выражается формулой

где: Ф(х) — интеграл вероятности.

Из этого следует, что ошибка измерения времени прихода сигналов по огибающей радиоимпульсов должна быть меньше по абсолютной величине, чем половина периода Т0 высокочастотного заполнения.

Опорные станции РНС БРАС-3 и РС-10 осуществляют поочередное излучение сигналов. Временная диаграмма излучаемых опорными станциями БРАС-3 сигналов приведена на рис. 2 и рис.3.

чШ

I. Такты

А 8 8 Г Л

еш станция : 1 /вп ' вш гап №

Т,в220пс Г, = 30лс 1

Рис. 2. Последовательность излучения сигналов в РНС БРАС-3

"с1Ч

/ 1 <Г Ас ¿и 1 \ / \ / \ / \ / \ » ' 1 / \ / \ 1 \ ' » / Г/ 1 \ '' \ 1 \ / ' Ь' . V / . \ / .. V } , \) . и Л, 1

1*1 1 1 П» I \/\ м /'\ /\ / \ \ / \ / V V «у ^___ ч_/ ЧУ V/ «„ = 150п«с Тс. \ \ \ <

Рис. 3. Сигналы ОС РНС БРАС-3 Несущие частоты находятся в соотношении: ^с=64Р, Сс=65Р, С,с=68Р, &С=80Р, ГКС=69Р и £ИН=56Р+300,

где Б= (212,5—250/к) -1/8 — масштабная частота (к — номер частотного канала); Р-26 кГц,

Таким образом, при временных измерениях по огибающей радиоимпульсов и фазовым измерениям по их высокочастотному заполнению в БРАС-3 производится последовательно уточнение измерений на

следующих частотах: РСЛ=Р/32, Р= 65Р-64Р, 64Р =68Р—64Р, 16Р =80Р—64Р,

64F и обшее редукционное число равно 32 -4- 4-4-4 = 2048.

Систематическая составляющая погрешностей параметров формируемых сигналов компенсируется на основе априорных знаний расстояний между ОС системы и данных о калибровке РНС.

Минимизация доли систематических погрешностей определения места объекта, возникающих из-за отсутствия точных априорных знаний условий распространения (реальной фазовой скорости распространения поверхностных радиосигналов на трассе ОС - объект) является наиболее важной задачей поскольку эти погрешности могут достигать значений на порядок превышающих флюктуационную составляющую. В СВ РНС при достигнутой инструментальной погрешности определения места а < 2 м систематическая погрешность может, составлять величину на порядок большую.

Решение этой задачи может быть достигнуто двумя методами учета поправок за распространения радиоволн в СВ диапазоне:

-неавтономный метод, требующий привлечения априорной информации, полученной или имеющейся до разворачивания системы на местности;

-автономный. метод, в котором . используется информация, об измерениях в рабочей зоне радиоволн .

Классический неавтономный метод - создание карт электрических свойств (включающих рельеф) подстилающей поверхности, по которым тем или иным образом рассчитываются корректирующие поправки. Неавтономные методы связаны с решением прямых задач распространения.

В автономном методе информация об измерениях может быть двух

видов:

-предварительные измерения в геодезически привязанных точках, по которым восстанавливается реальная или эффективная модель подстилающей поверхности в рабочей зоне; число этих точек зависит от конфигурации степени однородности зоны, а также требуемой точности, и в случае резко-неоднородной по свойствам зоны, возможно будет значительно;

-измерения в рабочих точках на ряде частот и восстановление по ним модели трассы и , следовательно, поправок по частотной зависимости амплитуды и фазы принятого сигнала; эти методы явдяются весьма перспективными но пока слабо теоретически и экспериментально разработанными.

Еще одним направлением минимизации систематической составляющей погрешности определения места является создание метода компенсации фазовой девиации приемных антенн при размещении бортовой аппаратуры на объекте.

Вторая глава посвящена вопросу сокращения аппаратурной составляющей систематической погрешности РНС, вызванной погрешностями аппаратуры формирования сигналов ОС системы. Решение поставленной задачи требует анализа всего тракта формирования

когерентной последовательности сигналов опорных станции с необходимыми стабильными значениями временных (или фазовых) параметров.

В данной главе на основе уравнений фазового баланса тракта формирования сигналов в системе ВЩ-ВМ станций выявлен источник возникновения аппаратурной систематической погрешности формирования требуемых фазовых соотношений их сигналов.

Главной функцией, ОС РНС является формирование и излучение в эфир сигналов со стабильными фазовыми параметрами или, другими словами, стабильного фазового поля в условиях используемого канала распространения радиоволн.. При этом в ведомые (ВМ) станции должны излучать сигналы, фаза которых должна отличаться от фазы ведущей (ВЩ) на постоянную (расчетную для принятой в системе рабочей фазовой скорости Vp) величину К, уточняемую при калибровке

Постоянство значения К должно поддерживаться при всех дестабилизирующих факторах канала распространения и фазовой нестабильности аппаратуры. ВЩ станция задает ритм работы всей системы. К стабильности фаз сигналов ВЩ станции, излучаемых в такте А жестких требований не предъявляется. При этом выполнение требования (12) в значительной мере определяется качеством работы ВМ станции. Она должна парировать возможные изменения фазы принимаемых сигналов ВЩ станции, вызываемые нестабильностью фазовых задержек трактов приема и излучения; изменениями фазовой задержки при распространении сигналов ВЩ вдоль базовой линии из-за нестабильности условий распространения.

Выполнение условия (12) может быть путем сравнения измеренных текущих значений разности ^.1a(t)-9,>,(t)|J102 с расчетным эталонным значениями. Обозначим их через Toi и Т02 для 3-х станционной РНС. Оценка реальных значений этих набегов может производится путем измерений времени распространения сигнала ВЩ станции на базовой линии в прямом и обратном направлениях.

Рассмотрим для этого случая фазовые соотношения излучаемых и принимаемых сигналов одного плеча ОСо -ОС| РНС. Фаза излучаемых сигналов - станции

где: gj - фаза сигнала опорного генератора частоты; rg - задаваемый фазовый сдвиг; - фазовая задержка в передатчике.

Измерения фазы принимаемых сигналов i - й станции относительно фазы опорного генератора к- й станции, на которой производится измерение

где: <pj — фаза сигналов на входе приемника; Y|j - фазовая задержка в тракте приемника; gk - фаза сигнала опорного генератора. Для компенсации аппаратурных задержек в передатчиках необходимо провести измерения при

А

приеме собственных сигналов при

В результате производится измерение суммарной собственной аппаратурной погрешности 1 -й станции. Выполним присвоение = - ДХу1 для ОСо и ОС|, осуществив внесение поправки в га, в результате получим фазы излучаемых сигналов где присутствует составляющая

фазовой задержки в тракте приемника при приеме собственных сигналов с обратным знаком. Фазовый набег сигнала ведущей ОС0 при прохождении им

трассы до ведомой

т -2яЬ1 »П1 — _

(16)

Сигналы ВЩ с фазой <р„ = - У^ поступают в антенну ОС) с фазой Измерение фазы этого сигнала на ОС| даст результат

Произведем присвоение : == г^;, + <р01. Тогда содержимое ^ станет равным ф01- + У*) В этом случае ОС| будет излучать сигнал с фазой

ф, =е,+гя,+х,=8| - х, - у,с+ёо~ у0'+т01 + у; - в, + х,=ёа - у0с+т., + дуг

Измерения фазы сигнала ВМ| на ОС„ дадут результат

Фю =ёо~ у0 + 2Т0| + ДУГ + У,- - Во = 2Т01 + ДУГ + ДУГ. (»9)

Таким образом, измерение фазового набега сигнала при распространении по базовой линии будет содержать систематическую

ду" + ДУ"*

аппаратурную погрешность —2-!—

а полная систематически я погпеттшость этой оттенки бvпeт пятшя

дт =ф°- , АУГ^ДУГ

а 1 о,- Ф»0 + ; >

(20)

где все слагаемые могут принимать случайные медленно изменяющиеся во времени значения.

Если не предпринять мер по стабилизации ДТа, то условие (12) не будет выполнено. В рассматриваемой РНС значение К в этом выражении должно соответствовать расчетному значению фазового набега сигнала ведущей станции в процессе его распространения вдоль базовой линии

«Р, - Ф0 = ДФ!Г = . '

(21)

где:

Ь?* - расчетное значение длины геодезической линии (кратчайшее

известными

расстояние между двумя точками на земной поверхности с

V

координатами Х0,У„ и Х|,У|); X - длина волны с несущей частотой Г

при выбранной в системе рабочей фазовой скорости распространения радиоволн ур.. Расчетное значение геодезической длины базовой линии может быть выполнено по методу Гаусса с сантиметровыми точностями. Однако погрешности расчета содержат систематическую составляющую, вызванную погрешностями (порядка 1м) координатной геодезической привязки антенн ОС и незнанием значения <рл<>„. Эта составляющая не изменяется во времени и компенсируется при калибровке РНС.

Значение Ь^ = М^Хр + , где Д1^^ - дробная часть. Поскольку при фазовых измерениях результат однозначен только в пределах 2л, то за расчетное значение принимается значение

В отечественных РНС при первом включении системы после вхождения ОС в синхронизм средние значения единичных отсчетов То7"0) на ведомых станциях сравнивают с расчетным значением Т^"

суммируют с содержимым ведомых станций и включают режим

стабилизации величины Тй0), где] - дискретное время с интервалом Тц.

Зафиксированное значение разности (22) используется в качестве постоянной поправки к фазе сигналов излучаемых ведомой станцией. В результате устанавливается необходимая расчетная разность фаз сигналов ВЩ и ВМ станций, постоянство которой должно быть обеспечено в дальнейшем. Очевидно, что отклонения этой разности приведут к систематическим погрешностям местоопределения РНС из-за непрогнозируемых смещений линий положения. Аппаратурная погрешность состоит из суммы двух независимых погрешностей одного характера. Рассмотрим детально содержание аппаратурной составляющей погрешности (20).

Отличительной особенностью этого тракта относительно тракта приема, чужих сигналов заключается в наличии аттенюатора, обеспечивающего ослабление уровня сигнала собственного передатчика на входе приемника до верхнего края его динамического диапазона.

В процедуре фазовых измерений собственных сигналов и сигналов других ОС станций РНС используется один и тот же приемник. Если предположить равенство его фазовой задержки при приеме сигналов разных уровней, то аппаратурная погрешность равна фазовой задержке в тракте аттенюатора Д фАтт.

Аттенюатор, не содержащий частотно-зависимых элементов, производит, линейное преобразование сигнала, обеспечивая его ослабление на входе приемника для исключения нелинейных искажений сигнала. Вследствие этого, с учетом его малого (по сравнению с длиной волны навигационного сигнала) размера, имеет фазовую задержку

практически равную нулю. Следовательно, аппаратурная погрешность

возникает в случае неодинаковости фазовой задержки в приемнике при разных уровнях входных сигналов. Применяемые в радионавигационной аппаратуре приемники должны усиливать по мощности сигналы с большим динамическим диапазоном уровней, обеспечивая при этом постоянство уровня выходного сигнала. Это достигается применением системы автоматического регулирования усиления (АРУ), представляющую собой нелинейную цепь отрицательной обратной связи избирательного усилителя. Откуда гипотеза о функциональной зависимости Дфге = р(и(1)) не лишена смысла. Результаты измерений зависимости фазовой задержки показали значительное увеличение разности значений фазовых задержек при минимальных и максимальных уровнях входного сигнала, что может объяснено динамикой установления уровня выходного сигнала системы АРУ.

Во второй главе, так же рассмотрены применяемые способы калибровки РНС, сущность которых заключается в выявлении и устранении расхождений между расчетными значениями разности фаз сигналов ОС, принимаемых за эталон в геодезической точке с точно известными координатами и измеренными ПИ в этой точке рабочей зоны; в сопряжении всех измерений на разномасштабных частотах (80Р-64Р, 68Р-64Р, 65Р-64Р и 64Р) для обеспечения надежности устранения неоднозначности на всех ступенях перехода от грубых измерений к точным;

Анализ процедуры автокоррекции, реализованной в РНС РС-10, показал, что калибровка РНС по контрольной точке с координатами ВЩ станции может быть встроена в качестве элемента в эту процедуру. А число контрольных точек может быть расширено до числа ОС в системе, что позволит при калибровке учет измеренных разностей фаз сигналов на ВМ станциях смежных пар ВЩ-ВМ.

Применение цифровой АРУ позволяет исключить аппаратурную погрешность фазовых измерений, из-за переходного процесса установления уровня управляющего сигнала в аналоговой АРУ. Предлагаемая процедура удержания необходимого входного уровня собственных сигналов ОС, содержащая программно-управляемый аттенюатор дискретный делитель

уровня сигнала с коэффициентом передачи Катт = (0,5)С(П)АГГ приведена на рис. 4.

Предлагаемый способ автоматической калибровки по трем контрольным точкам с известными координатами, каковыми являются точки установки антенн ОС, позволяет достигнуть эффективности способа калибровки по трем контрольным точкам. При этом их геодезическая привязка и выход судна в эти точки не требуются. Повышенная точность (за счет применения программно-управляемой АРУ приемников), полная автоматизация процесса калибровки и несравнимо меньшее (по отношению к методу калибровки с моря) время калибровки РНС позволят существенно повысить оперативность использования отечественных СВ РНС. На рис. 5 приведена структурная схема предлагаемого способа калибровки

выполняемой при поступлении по каналу телеметрии от ВМ станций контрольных отсчетов разностей фаз ТСОШ2р') и РСОШ1(]) и отключенной системе автокоррекции.

В третьей главе рассматривается способ выявления и учета поправок на фазовую девиацию приемных антенн в режимах грубых измерений.

Комбинация антенна-корабль представляет собой антенну, фазовый центр которой изменяет свое положение в зависимости от направления приема сигналов, что вызывает ошибки в измерениях РНП и их разностей. На антенны судовых радиоприемных устройств, кроме электромагнитного поля полезного сигнала, действует поле, вторичного излучения, обусловленное находящимися в близости металлическими предметами. Так под действием вторичного1 излучения отсчеты координат судна будут содержать систематическую погрешность, зависящую от направления прихода сигналов опорных станций.

Все переизлучатели, которые могут встретится на судне, можно разделить на антенноподобные (АП) и контуроподобные (КП). Совокупность их влияния на поле сигнала в точке приема может быть сведена к действию суммарного вектора одного АП и одного КП переизлучателей (рис. 6). Девиация фазы полезного сигнала представляет собой периодическую функцию и может быть представлена рядом Фурье во втором приближении 5 = А + Взт Р + СсскР + Эвт 2Р + Е с<«2Р, (23)

где:

и поля полезного

сигнала с учетом их фазовых сдвигов. В зависимости от настройки антенно-подобных переизлучателей коэффициенты девиации могут изменяться в пределах от

— ПЛ1П Пг, „ — Пп . _ ПпП. , П0П.

А= . 5 9 • В = ——сска; С =-З-мпа; 0= . 0 5 ^т2а;Е = . 9 5 ,,со$2а,

2(1 + т,/ 1 + т3 1 + т5 2(1 + т5/ 2(1+ш5/

когда они настроены в оезонанс полем полезного сигнала, и до А = шч—у^; В=(п^ +п5тч)со5а; С = + гцт^ша; 0 = -^5т2а; Е=-у^сс«2а,

при значительных частотных расстройках.

В разностно-дальномерной РНС девиационая составляющая систематической погретттности в оттенке гипепболических линий положения Д,=6(Р|)-2(Р0)

равна Д2=5(Р2)-5(Р„) (24)

Практика использования приведенных выше способов компенсации девиационных погрешностей, равно как и используемые методы калибровки РНС, требующие знаний точных координат контрольных точек в море, показывает весьма их низкую эффективность для снижения доли систематической погрешности местоопределения по РНС СВ диапазона. Реально с их помощью достигнуть остаточной доли систематической погрешности порядка 8-10 метров, что в минимум в 5 раз превышает инструментальную составляющую погрешности. Девиационная кривая имеет частотную зависимость. Известные способы ее определения с целью компенсации девиационных погрешностей нацелены на снижение девиационных погрешностей при фазовых измерениях на одной несущей частоте в фазовых СВ РНС. В импульсно-фазовых многошкальных РНС, к которым относятся отечественные РНС БРАС-3 и РС-10 также грубые измерения на разностных частотах. Так при измерениях на разностной частоте 16F = 80F-64F используются сигналы со значительным частотным разносом. В этом случае девиационные кривые для частот 64F В 80F могут существенно различаться, что может привести к существенному снижению вероятности разрешения неоднозначности местоопределения.

Оценим возможное снижение вероятности разрешения неоднозначности при переходе из режима грубых фазовых измерений на разностной частоте 16F в режим точных на частоте 64F.

различаться, что может привести к существенному снижению вероятности разрешения неоднозначности местоопределения.

Оценим возможное снижение вероятности разрешения неоднозначности при переходе из режима грубых фазовых измерений на разностной частоте 16F в режим точных на частоте 64F. Положим, что комбинация антенна-корабль содержит, антенно-подобные переизлучатели, создающие суммарное с полезным сигналом поле, вызывающее различные функции девиации для сигналов на частотах 64F и 80F из-за существенного разноса частот.

Опираясь на данные для одношкальной РНС СВ диапазона Hi-Fix, зададимся разностной девиацией фазы в , где - период колебания на частоте точных измерений, и вероятностью разрешения неоднозначности при переходе в режим точных измерений с нулевой девиацией фазы Ррн > 0,997. Откуда следует неравенство 6а < Т0 и в соответствии с выражением (11) при

Т.о. наличие девиации фазы при грубых измерениях вероятность разрешения неоднозначности снизилась на 27%. С целью исключения таких ситуаций при размещении бортовой аппаратуры на объектах предлагается способ выявления девиационной составляющей систематической погрешности при измерениях на разностных частотах, в котором не используются контрольные точки в рабочей зоне с известными координатами.

ис(1)

АТТЕНЮАТОР

¡«3 АТТ-РЛ

ПРИЕМНИК

АРУ

ту

АЦП

1Ш АЦП

ЦИФРОВАЯ МАГИСТРАЛЬ ЭВМ

Кдтт Кпрм(п) ис(п)

С(п)атт

Вычисление ДС(п+1)

С(п)Ару = сопя

и0

1 0

ДС(п+1) С(п+1)Ап

ЭВМ

и ]=1

к(п)=яп)

ип

ЛСАТГ(п)=1о&5(к(п)) Слтт(п +1)=САТГ(п)+АСагг(п)

С(п)Ару =Сч(п)ару -установившемуся значению при приеме сигналав других ОС системы

Рис. 4. Предлагаемая структурная схема двух - контурной программно-управляемой АРУ приемника при приеме собственных

сигналов ис(0

ВЩ станция КАЛИБРОВКА

йяь

РКОМ210) РКОЖ20)

ОК1Л31(]) ОК1_В20)

| } АВТОКОРРЕКЦИЯ

РКОЫ010) РКОЫ02(])

ОКЬВ10-1) БКЬШО-!)

васоюо-1) ; олсояго-!) I

.А

о

ш

КИ = ад

ВМ станция

г!

тя

ОАСОЯ

йКЬВ

, ОАСОЮУ) ; , НаВМ1

5асоЩ) НаВШ

КАЛИБРОВКА

ОКЬВ10)) На ВМ1 НаВМ2

ОКЬВ2(])

Рис. 5. Структурная схема предлагаемого способа калибровки РНС РС-10

H|,m

Амплитуды магнитных составляющих полей: Нт- полезного сигнала; Нкт - КП переизлучателя; Нат - АП переизлучателя; Hj - интерференции.

5 - девиация фазы полезного сигнала

Векторная диаграмма

Р- курсовой угол на опорную станцию; 0 - угол прихода внешней волны к плоскости контура;

Р - вектор Умова-Пойтинга; а - угол между диаметральной плоскостью судна и перпендикуляром к ПЛОСКОСТИ КОНТУРА

Рис. 6. Векторная диаграмма и проекция вертикального контура на горизонтальную плоскость

Т.о. наличие девиации фазы при грубых измерениях вероятность разрешения неоднозначности снизилась на 27%. С целью исключения таких ситуаций при размещении бортовой аппаратуры на объектах предлагается способ выявления девиационной составляющей систематической погрешности при измерениях на разностных частотах, в котором не используются контрольные точки в рабочей зоне с известными координатами. Сущность способа заключается в том,. что судно из любой точки рабочей зоны РНС выполняет со скоростью порядка 2-4 градуса/с полную циркуляцию в пределах 0- 360°. Величина радиуса циркуляции значения не имеет, т.к. в любой точке траектории судна оба сигнала 80Б и 64Б, излучаемые опорными станциями, проходят один и тот же путь. Следовательно, измеренные отклонения разности фаз этих сигналов (приведенные к масштабной частоте ^ = 1000 Кгц). от постоянной величины на разных курсовых углах судна несут в себе информацию о девиации при данных углах прихода сигналов ОС.

Четвертая глава посвящена вопросам методологии, состава и результатов проведенных количественных оценок как отдельных составляющих систематических погрешностей СВ СНС , так и суммарного их значения в виде остаточной погрешности при условии использования выбранной для данных условий распространения радиоволн средней рабочей фазовой скорости УР

Искажение - фазовой структуры поля количественно могут быть

(г)

описаны в терминах дополнительного фазового множителя зависящего от расстояния между передатчиком и приемником, электрических свойств трассы и рабочей частоты. Если передатчик излучает гармонический сигнал

то сигнал в точке приема (координаты которой определяются) может быть записан в виде

U, = U.sinjat-^+v^ +<p0j

где: г — расстояние

до передатчика; с - скорость света в свободном пространстве. Фаза сигнала в точке приема определяется выражением

p + plL+ar] = íi!+p откуда Ci = c(I + £_)'

зазовои скорости,

. 10 г п

tot--+ р + ф„

сигнал в точке

Таким образом, используя новое значение < приема может быть записан и _ и, sin

т.е. систематическая погрешностью полностью исключена (наличие константы р + ф„ не существенно, так как измеряется разность фаз).

Типичная зависимость дополнительной фазы от расстояния при распространении над земной поверхностью имеет вид (рис.7).

Обращаясь к этим графикам для замечаем, что в ряде случаев в пределах рабочих расстояний оказывается 2-й. участок функции . Хотя действительный ход <рдоп и отличается от линейного, введение эффективной рабочей фазовой скорости оказывается целесообразным для ряда трасс и частот. При этом следует иметь ввиду, что при изменении фазовой скорости на одних трассах систематическая погрешность будет уменьшаться, в то время как на других трассах она может увеличиваться.

Для возможности проведения количественных оценок рельефов систематических погрешностей при различных фазовых скоростях распространения радиоволн средневолнового диапазона разработана программа 818Т.РЛ8 для ЭВМ.

Расчет рельефа систематических погрешностей определения координат в зоне действия РНС базируется на выражении

где Дф| и Дфа - систематические погрешности измеренных РНП; у| и у2 углы визирования базовых линий из точки, координаты которой определяются.

Количественные оценки систематической составляющей погрешности определения координат, вызванные знакопеременными погрешностями измерений РНП (условиями распространения сигналов или аппаратурными погрешностями), должны производиться не только для получения абсолютного значения систематической погрешности , но и ее направления.

Абсолютные величины систематической ошибки определения места объекта дают возможность исследовать их зависимость от свойств подстилающей поверхности, диапазона используемых рабочих частот и от величины выбранной фазовой скорости. Однако ясно, что систематические погрешности местоопределения, вызванные нарушением фазовой структуры при распространении радиоволн над поверхностью с конечной проводимостью, характеризуются определенным направлением.

В главе 4 проведено математическое обоснование процедур количественных оценок систематических погрешностей РНС (рельефов погрешностей), на основе которого разработана и отлажена программа 8КТ/РЛ8 для расчетов доли сокращения погрешности РНС при применении предложенных способов. Ее структурная схема приведена на (рис.8). Результаты расчетов приведены на рис.9 и рис. 10.

Рис. 8 Структурная схема программы. SIST.PAS

Результаты расчетов _ _

ПМО Б^Т-РАБ Ь, = Ь2 = 200 км

Море о =0,5 мо/м, УР =299,632 м/мкс

Д<рклб1 = Дфклб2 = 2,5 т.ф.ц.

Удельная систематическая погрешность

Результаты исследований

1. Разработан новый способ автоматической калибровки РНС по измерениям на ВМ станциях.

2. Разработан новый способ выявления и учета девиации антенн бортовой аппаратуры.

3. Получены математические выражения для количественных оценок систематических погрешностей РНС, являющихся следствием неучтенных погрешностей при распространении сигналов, остаточными погрешностями калибровки, аппаратурными погрешностями при измерениях фазовых параметров сигналов и используемого способа местоопределения.

4. Разработано и отлажено программно-математическое обеспечение для проведения количественных оценок систематических погрешностей РНС во всей рабочей зоне - расчета рельефов систематической погрешности РНС.

5. Разработан способ поддержания минимальной разности уровней сигналов на входе приемников ОС.

6. Показано, что перспективным направлением совершенствования способов выявления и учета поправок за распространение радиоволн в СВ РНС является автономный способ, в котором поправки вычисляются по измеренным в бортовой аппаратуре амплитудно-фазовым соотношениям сигналов с максимальным частотным разносом 16F (порядка 0,4 МГц).

7. Показано, что наилучшим средством аппаратурной поддержки научно-экспериментальных исследований условий распространения импульсных радиосигналов средневолнового диапазона является аппаратура отечественной эксплуатируемой в настоящее время СВ РНС PC-10.

8. Сформулирован перечень необходимых доработок программного обеспечения при модернизации РНС -1 ОБ, позволяющих в 2...3 раза сократить систематическую погрешность СВ РНС.

9. Проведена количественная оценка эффективности применения разработанных способов снижения систематической погрешности СВ РНС в РС-10, которая подтвердила 3-х кратное сокращение систематической погрешность РНС (до 0,5 метра, при геометрическом факторе 1,0), сокращение времени готовности РНС к использованию с объявленной точностью определения - места от нескольких суток до 20-30 минут и увеличение вероятности разрешения неоднозначности местоопределения при любом курсе объекта от уровня до

10. Результаты диссертационной работы внедрены в Московском конструкторском бюро "Компас" и ГОУ МАРТИТ, что подтверждено соответствующими актами.

На основании полученных результатов решена научная задача по повышению точности местоопределения и сокращению времени готовности к навигационному обеспечению СВ РНС, позволяющая реализовать эффективную модернизацию эксплуатируемых в настоящее время РНС РС-10, имеющая существенное значение для развития систем и средств радионавигации и обеспечения обороноспособности страны.

Работы, опубликованные по теме диссертации

1. Сафонов А.В. Отечественные радионавигационные импульсно-фазовые системы // Научно-практический сборник: Электронное приборостроение, вып.б(34). - Казань, КГТУ (КАИ), 2003. - С. 36 - 60.

2. Сафонов А.В. Широкополосная концепция в современных системах радионавигации // Научно-практический сборник: Электронное приборостроение, вып.6(34). - Казань, КГТУ (КАИ), 2003. - С. 27 - 35.

3. Сафонов А. В. Сокращение систематической погрешности отечественной средневолновой радионавигационной системы РС-10 // Сборник докладов на научно-техническом семинаре: "Концепция создания комплексированного оборудования навигации". - М.: ГОУ МАРТИТ и МКБ "Компас". -2003. - С. 10 - 13.

4. Песошин В.А., Кузнецов В.М., Сафонов А.В. Двоичные линейные рекуррентные последовательности на основе регистра сдвига с внутренними сумматорами по модулю два // Тезисы докладов научно-практической конференции: "Инфокоммутационные технологии глобального информационного общества". - Казань, КГТУ (КАИ), 2003. - С. 90 - 92.

5. Песошин В.А., Кузнецов В.М., Сафонов А.В. Псевдослучайные последовательности, порождаемые регистром сдвига с внутренним сумматором по модулю два /7 Сборник трудов научно-практической конференции: "Инфокоммутационные технологии глобального информационного общества". - М.: Новые технологии, 2004. - С. 313 - 316.

6. Сафонов А.В., Кузнецов В.М., Песошин В.А Генераторы псевдослучайной последовательности на основе регистра сдвига // Сборник докладов на итоговой- конференции Института проблем1 информатики Академии наук Республики Татарстан. -Казань, ИПИ АН РТ, 2004.

7. Сафонов А.В. и др. Исследования самолетной МЧ РЛС по экологическому мониторингу, поиску полезных ископаемых и картографирования // Отчет по НИЭР "Мониторинг". - М: АООП, 1997. -с. 253.

«S-71 17Í

Введение

1 Анализ возможности повышения точностных характеристик РНС средневолнового диапазона

1.1 Назначение радионавигационных систем и их классификация

1.2 Краткий исторический обзор развития средневолновых РНС

1.3 Основные требования, предъявляемые к РНС

1.4 Виды погрешностей

1.5 Оценка точности определения местоположения объекта

1.6 Характеристики канала распространения радиоволн

1.7 Принцип действия отечественных РНС средневолнового диапазона

1.8 Пути повышения точности местоопределения СВ РНС

Актуальность темы. Возрастающие требования по повышению точности координирования при выполнении боевых действий и проведении работ по разведке и добыче полезных ископаемых в зоне континентального шельфа выдвигают на передний план вопрос обеспечения всех видов морских объектов средствами высокоточного определения их текущего местоположения.

Основными характеристиками радионавигационных систем (РНС), по которым определяется пригодность системы для выполнения тех или иных работ, в том числе на континентальном шельфе является дальность действия, точность и надежность круглосуточного местоопределения, непрерывность работы в любых метеоусловиях. Большое значение имеет число одновременно обслуживаемых объектов, их динамические свойства, возможность получения навигационной информации: в реальном времени, массогабаритные и энергетические характеристики аппаратуры, определяющие ее транспортабельность и затраты на ее обслуживание.

Разнообразие технических требований и условий при выполнении геофизических, геодезических и других видов работ влечет за собой к разнообразию используемых радионавигационных систем.

Качественные изменения, происходящие в последние годы в радионавигационном обеспечении потребителей, связаны с возможностью реализации технических идей на базе достижений современной технологии и микропроцессорной техники. Внедрение программных цифровых способов обработки сложных сигналов, обеспечивающих возможность применения оптимальных методов оценки их параметров, использование в радионавигационной аппаратуре баз данных позволили объединить в пределах одного устройства приемоиндикаторы (ПИ) нескольких радио нави гационых датчиков, включая автономные средства.

Применение методов псевдослучайной модуляции сигналов повышает помехозащищенность РНС по отношению, как к непреднамеренным, так и к организованным помехам. Последнее является определяющим фактором при решении задач оборонного назначения.

Многим из приведенных выше требованиям соответствуют сетевые глобальные радионавигационные системы космического базирования GPS (США) и FJIOHAG (РФ). Однако бытующее до недавнего времени мнение о возможности вытеснения ими из эксплуатации всех РНС наземного базирования; не подтвердилась на практике. Главной причиной этого стала малая помехоустойчивость этих систем в силу малой энергетики их сигналов. В абсолютном большинстве случаев бортовая, аппаратура этих систем работает одновременно по сигналам двух этих систем, являясь точным корректором отсчетов координат либо менее точных РНС наземного базирования, либо отсчетов источника автономной навигации.

Наиболее ярким примером такого комплексирования является взаимная поддержка GPS навигационной информацией от средневолновой РНС Geoloc (Франция), действующей на несущей частоте 2 МГц в полосе 0,6 МГц, обладающей одинаковой с GPS инструментальной погрешностью. Сочетание псевдослучайного кодирования и широкого спектра сигнала обеспечивают высокую помехозащищенность системы по отношению к помехам сосредоточенным по спектру-и; к помехам сосредоточенным по времени. Комплексирование ПИ с автономными датчиками курса и скорости объекта позволяет компенсировать доплеровский эффект и использовать очень узкую основную полосу обработки потока информации равную 0,01 Гц, что обеспечивает высокую помехоустойчивость к шумовым атмосферным помехам.

Однако любой системе, использующейся в отдельности, свойственны какие-то ограничения. Так для РНС Geoloc необходима первоначальная точная коррекция места или сведение периодических шкал времени, а в РНС GPS ограничениями являются: низкая помехозащищенность, изменение во времени геометрического фактора, дискретность в приеме сигналов [1]. Поэтому РНС средневолнового диапазона и РНС Geoloc, в частности, рассматриваются отечественными и зарубежными специалистами не только как самостоятельные навигационные средства, позволяющие в районах континентального шельфа выполнять операции, связанные с необходимостью точного местоопределения, а также как полезное дополнение к спутниковой РНС GPS не только как полезное дополнение на стадии не полного развертывания GPS, но и, когда та полностью войдет в эксплуатацию.

В настоящее время GPS развернута полностью и эксплуатируется в штатном режиме, обладая всеми объявленными характеристиками по доступности, надежности и точности местоопределения, в то время как отечественная система ГЛОНАС по причинам экономического характера не доведена до такого состояния. Вследствие чего вопрос высокоточного навигационного обеспечения морских объектов с помощью РНС СВ диапазона продолжает выть весьма важным с учетом упомянутой необходимостью работ на континентальном шельфе,-крайне необходимых для экономики России.

Следует отметить, в нашей стране накоплен богатый опыт создания РНС СВ диапазона. Начиная с 60-ых годов прошлого столетия, были разработаны и внедрены в серийное производство две РНС:

1968г.-базовая радионавигационная автоматизированная радионавигационная система (БРАС-3);

1985г.-базовая радионавигационная необслуживаемая радионавигационная система PC-10.

Эти системы работают в диапазоне 1,6 — 2.1 МГц и обладают взаимной аппаратурной преемственностью.

Они обеспечивают однозначное, круглосуточное местоопределение морских объектов с метровой точностью в любое время суток на дальностях 200-400 км.

Заданные в разработку для выполнения оборонных и народнохозяйственных задач эти системы обладают высокой помехозащищенностью. PHG PC-10, выполненная с использованием перспективных цифровых программных способов обработки радионавигационной информации на встроенном специализированном вычислителе (по структуре открытой вычислительной системы, позволяющей наращивание) существенно превышает характеристики БРАС-3. Прежде всего, это относится к инструментальной точности и помехозащищенности.

Вследствие осознания* необходимости развития этого направления радионавигации в 1990г. была задана в разработку РНС нового поколения, к которой не были предъявлены, требования по преемственности. Это позволило разработчику применить совершенные способы широкополосной модуляции сигнала, обеспечивающие существенное повышение точности и помехоустойчивости при улучшении энергетических показателях системы.

Поскольку способы сокращения инструментальной составляющей погрешности были практически исчерпаны в РНС PC-10, в этой разработке основное внимание было направлено на сокращение систематической составляющей погрешности местоопределения, возникающей из-за неизвестности условий, распространения радиоволн в реальном канале распространения. С этой целью планировалось проведение исследований параметров трасс распространения радиосигналов средневолнового диапазона. Перспективы положительного завершения этих исследований определялись следующими предпосылками:

-готовностью радиофизиков к синтезу автономных процедур выработки и учета поправок за распространение радиоволн на основе данных о частотной амплитудно-фазовой дисперсии сигналов;

-появление публикаций по результатам опытной эксплуатации РНС Geoloc, в которой производится ввод поправок за распространение радиоволн, частично компенсирующих систематическую составляющую погрешности местоопределения;

-заложенной при проектировании РНС PC-10 возможности использования, штатного оборудования системы в качестве инструмента для измерителя параметров дисперсии сигналов на трассе распространения.

Тем не менее, сложное положение с финансированием этой разработки привело к ее свертыванию. В 2003 г. вновь поставлена задача разработки новой РНС СВ диапазона, обладающей повышенной точностью местоопределения.

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

Цель и задачи исследований. Целью работы является разработка методов и средств повышения точностных характеристик PHG средневолнового диапазона.

Для достижения поставленной цели необходимо было решение следующих задач:

-анализ факторов, влияющих на точность навигационных измерений;

-анализ возможностей повышения точности местоопределения подвижных объектов, действующих на морских акваториях;

-поиск способов: сокращения: погрешностей определения текущих координат объектов по сигналам радионавигационных систем средневолнового диапазона;

-разработка способов и средств: внутрисистемного мониторинга и коррекции фазовых характеристик сигналов опорных станций СВ РНС;

-разработка средств выработки и учета корректирующих поправок за фазовую девиацию приемных антенн.

Методы исследований. При решении перечисленных выше задач в работе были использованы прикладные методы теории распространения радиоволн, теории случайных процессов и методы математического моделирования.

Научная новизна. Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней впервые проведен системный анализ путей сокращения систематической составляющей погрешностей РНС средневолнового диапазона и разработаны средства, обеспечивающие это сокращение.

В диссертации получены следующие основные результаты:

1. Разработан способ автоматической калибровки РНС;

2. Получены расчетные соотношения для оценки влияния условий распространения сигналов средневолнового диапазона на точностные характеристики РНС;

3. На основе полученных соотношений разработано программно-математическое обеспечение для количественных оценок систематических погрешностей во всей рабочей зоне СВ РНС;

4. Разработан способ оценки фазовой девиации приемных антенн для последующей их компенсации;

5. Проведена оценка доли сокращения погрешностей; местоопределения! при практическом использовании, разработанных способов;

6. Сформулирован перечень необходимых доработок программного обеспечения отечественной СВ РНС РС-10, позволяющий обеспечить 2.3х кратное сокращение систематической составляющей ее погрешности.

На защиту выносятся:

1. Способ автоматической калибровки РНС.

2. Способ выработки поправок на фазовую девиацию приемных антенн при размещении бортовой аппаратуры на объекте.

3 • Расчетные соотношения для оценки систематических погрешностей местоопределения, обусловленных искажениями фазовой структуры электромагнитного поля поверхностных сигналов.

4. Программно-математическое обеспечение для количественных оценок систематических погрешностей местоопределения СВРНС.

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

-провести предварительную оценку доли систематической погрешности местоопределения в; рабочей зоне РНС;

-сократить время готовности;РНС к навигационному обеспечению и повысить точность абсолютного местоопределения СВ РНС за счет введения автоматической калибровки;,

- сократить долю систематической погрешности местоопределения из-за девиации приемных антенн бортовой аппаратуры.

Внедрение результатов

Результаты диссертационной работы внедрены в Московском конструкторском бюро! "Компас" и ГОУ МАРТИТ, что подтверждено соответствующими актами.

Апробация результатов.

Материалы диссертации докладывались:

-на научно-техническом семинаре "Концепция создания комплексированного оборудования навигации ", г. Москва, ГОУ МАРТИТ и МКБ "Компас", 2003г.;

-на научно-практической конференции "Инфокоммутационные технологии глобального информационного общества", г. Казань, ГТУ (КАИ), 2003 г.;

-на итоговой конференции Института проблем информатики Академии наук Республики Татарстан, г. Казань, 2004 г.

Публикация результатов.

Основные результаты диссертации опубликованы в 7 статьях.

Структура, и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения,. списка использованных источников и приложения.

Основные результаты, полученные в 4 главе, состоят в следующем:

1.Получены математические: зависимости систематической погрешности местоопределения» СВ РНС,. учитывающие особенности условий распространения радиоволн средневолнового диапазона;

2. На основе полученных математических выражений разработано и отлажено программно-математическое обеспечение для моделирования предложенных способов сокращения систематической составляющей погрешности РНС, основой которого является программа для персональной ЭВМ SIST.PAS (язык программирования PASCAL);

3. Проведена серия расчетов. рельефов систематических погрешностей СВ РНС, по результатам которых произведена количественная оценка эффективности применения^ в РНС разработанных способов сокращения систематической составляющей погрешности СВ РНС.

На основании; результатов;, полученных в, главе 4,. можно сформулировать следующие выводы:

1 .Систематическая составляющая систематической погрешности РНС

СВ диапазона (Арнс=5м при Кг = 1,0) из-за условий распространения радиоволн даже при хорошей проводимости однородной подстилающей поверхности (море) в 3 раза превышает инструментальную среднюю квадратическую погрешность (сгм = 1,7м при Кг = 1,0);

2. Сокращение доли систематической погрешности является наиболее важным и эффективным путем повышения точностных и эксплуатационых характеристик РНС;

3. Уменьшение доли систематической погрешности отечественных РНС РС-10 в 3 раза может быть достигнуто за счет внедрения разработанных в рамках данных исследований способов калибровки и измерений для последующего учета девиационных поправок;

4. Разработанное программно-математическое обеспечение может совместно с аппаратурой эксплуатируемой в настоящее время РНС осуществить, экспериментальные исследование обратного метода выявления и учета поправок за условия распространения радиоволн СВ диапазона по результатам измерений амплитудно-фазовых соотношений сигналов самой РНС с большим частотным разносом (80F - 64F);

5. Результаты проведенного математического моделирования могут быть положены в основу разработки перспективной РНС СВ'диапазона.

Заключение

Диссертация содержит новое решение актуальной научной задачи минимизации систематической составляющей погрешности определения места объектов, действующих над морем по сигналам радионавигационных систем средневолнового диапазона:

В результате проведенных научных и экспериментальных исследований получены следующие результаты:

1. Разработан новый способ автоматической калибровки РНС по измерениям на ВМ станциях.

2. Разработан новый: способ выявления и учета фазовой девиации антенн бортовой аппаратуры.

3. Получены математические выражения для количественных оценок систематических погрешностей РНС, являющихся следствием неучтенных погрешностей при распространении сигналов, остаточными погрешностями калибровки, аппаратурными; погрешностями при измерениях фазовых параметров сигналов и используемого способа местоопределения.

4. Разработано и~ отлажено программно-математическое обеспечение для проведения количественных оценок систематических погрешностей РНС во всей рабочей зоне — расчета рельефов систематической погрешности РНС.

5. Разработан способ поддержания минимальной разности уровней сигналов на входе приемников ОС.

6. Показано, что перспективным направлением совершенствования способов выявления и учета поправок на распространение радиоволн в СВ РНС является автономный способ, в котором поправки вычисляются по измеренным в бортовой аппаратуре амплитудно-фазовым соотношениям сигналов с максимальным частотным разносом 16F( порядка 0,4 МГц).

7. Показано, что наилучшим средством аппаратурной поддержки научно-экспериментальных исследований условий распространения импульсных радиосигналов средневолнового диапазона является аппаратура отечественной эксплуатируемой в настоящее время СВ РНС РС-10.

8. Сформулирован перечень необходимых доработок программного обеспечения при модернизации РНС -10, позволяющих в 2.3 раза сократить систематическую погрешность СВ РНС.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы: 1.Применение разработанного способа минимального уровня разности сигналов на входе приемников ОС РС-10 позволит сократить аппаратурную погрешность измерений разностей фаз сигналов в 5-10 раз (при соотношениях —« (20 - 80)db) до значений 2-3 т.ф.ц., что снизит U4 соответствующую систематическую погрешность РНС до 0,5 метров при геометрическом факторе 1,0.

2.Введение в СВ РНС разработанного способа калибровки РНС позволяет сократить время готовности РНС к использованию с объявленной точностью определения места от нескольких суток до 20-30 минут.

3.Введение в бортовую аппаратуру РНС PC-10 разработанного способа выявления и учета девиационных поправок позволяет удерживать вероятность разрешения неоднозначности местоопределения при любом курсе объекта на уровне Ррн « 0,99.

Количественные оценки погрешностей СВ РНС, проведенные с помощью разработанного ПМО, показали, что при использовании предложенных способов доля систематической погрешности сократилась в 3 раза.

На основании полученных результатов решена научная задача по повышению точности местоопределения и сокращению времени готовности к навигационному обеспечению СВ РНС, позволяющая реализовать эффективную модернизацию эксплуатируемых в настоящее время РНС РС-10, имеющая существенное значение для экономики страны и обеспечения ее обороноспособности.

1. Hard G. "Geoloc spread spectrum concept applied in new accurate medium-long range radio positioning system". France,Sersel,04/84.

2. Быков В.И., Никитенко Ю:И. "Судовые радионавигационные устройства", Изд. Москва, "Транспорт.

3. Ипатов В.П., Казаринов Ю.М., Коломенский: Ю.А. др. " Поиск, обнаружение и измерение параметров в радионавигационных системах", М. "Сов. радио"

4. Гюннинен Э.М., Макаров Г.И; "Распространение электромагнитного импульса над сферической землей" Из-во ЛГУ,. 1962г. Вып.2, Распространение радиоволн.

5. Азрилянт. П.А, Белкина М.Г. "Численные результаты теории дифракции радиоволн вокруг земной поверхности", М:, "Сов. Радио", 1957г.

6. Фок В.А. "Дифракция радиоволн вокруг земной поверхности", М. -Д., Изд. АН СССР, 1946г.

7. Кйнкулькин И.Е., Рубцов В1Д., Фабрик MiA. "Фазовый метод определения координат"- Ml "Сов. радио", 1979г.

8. Мосяков Е.А., Федотов Е.Т. и др. " К вопросу оценки точности местоопределения по разностно-дальномерной РНС", 1988 г., депонированная рукопись

9. Набок Л.Ф. "О фазовой радио девиации"'--В'-кн.: Судовождение. Вып. 13., 1973г.

10. Агафонников A.M." Фазовые радиогеодезические системы для морских исследований"- М.: Наука, 1979г.

11. Сафонов А.В. Отечественные радионавигационные импульсно-фазовые системы, // Научно-практический: сборник: Электронное приборостроение, вып.6(34). Казань, КГТУ (КАИ), 20031 - С. 36 - 60:

12. Сафонов А.В. Широкополосная концепция в современных системах радионавигации // Научно-практический сборник: Электронное приборостроение, вып.6(34). Казань, КГТУ (КАИ), 2003. - С. 27 - 35;

13. Сафонов А.В;, Кузнецов В.М., Песошин В.А Генераторы псевдослучайной^ последовательности на.основе регистра сдвига.// Сборник докладов; на итоговой конференции; Института проблем информатики Академии наук Республики Татарстан. Казань, ИЛИ АН РТ, 2004.

14. Сафонов A.BL и др. Исследования! самолетной; МЧ PJIC по экологическому мониторингу, поиску полезных ископаемых и картографирования // Отчет поНИЭР"Мониторинг". — М.: АООП, 1997. -с. 253.

15. Е.А. Мосяков Е.Т. Федотов: и др. "Определение: поправок на фазовую девиацию в приемоиндикаторах средневолновых РНС /'Записки по гидрографии", 1988 г.

16. Е.А. Мосяков Е.Т. Федотов и др.~ " К вопросу оценки точности местоопределения; по разностно- дальной РНС", 1988 г., депонированная, рукопись.

17. Е.А. Мосяков. " Обобщение материалов по эскизному проекту ОКР (шифр "Кальмар") , Выводы. Книга 1 (основная). Регистрационный номер X 51949 от 15:02.78г.

18. Е.А. Мосяков и др. "Программно- математическое обеспечение ОКРf (шифр "Кальмар"), Эскизный проект. Книга 5,, регистрационный номер X 51949 от 15:02;78г.

19. Е.А. Мосяков и др. "Обобщение: материалов по техническому проекту ОКР (шифр "Кальмар"), Книга 1 (основная), Регистрационный номер X 51949 от 15.02.78г.

20. Е.А.Мосяков и др. "Программно- математическое обеспечение ОКР * (шифр "Кальмар"), Технический; проект. Книга 5, Регистрационный; номер X 51949 от 15.02.78г.

21. Е.А. Мосяков. Научный отчет по НИР (шифр "Скат"), 1 этап. Книга 1.29;Е. А. Мосяков. "Обоснование основного направления; развития-вооружения: и военной техники: ВМФ»до 2000г." И тоговый отчет по НИР1 (шифр "Интеграция-4"), 1978г.

22. Е.А. Мосяков. "Научно-техническое прогнозирование развития науки итехники в отрасли на двадцатилетний период". Научно-технический отчет по НИР (шифр "Прогноз-20), 1986 г.

23. Е.А. Мосяков и др. "Морские радионавигационные системы", Учебное пособие, -М. Радио и связь, 1991г.