автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Повышение точности относительных угломерных измерений в спутниковых радионавигационных системах с использованием поляризационных характеристик сигналов

ФЕДЕРАЛЬНАЯ АВИАЦИОННАЯ СЛУЖБА МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАПт

~ ОД 1.137

На правах рукописи УДК 621.396.98

Илюхин Александр Алексеевич

ПОВЬШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ОТНОСИТЕЛЬНЫХ УГЛОМЕРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ В СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИГНАЛОВ

Специальность: 05.12.04 -

Радиолокация и радионавигация

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1997

Работа выполнена на кафедре Теоретической радиотехники Московского государственного технического университета гражданской авиации

Научный руководитель - академик Ньюйоркской Академии наук, член-корреспондент Академии транспорта РФ, д.т.н., профессор Рубцов В.Д.

Официальные оппоненты- академик Академии транспорта РФ,

д.т.н., профессор А.И.Логвин, кандидат технических наук, доцент А.Л.Сенявский

Ведущая организация - Московское конструкторское бюро

"Компас"

Защита диссертации состоится =23 ■У'-'Ь&.-Лс. 1дд7 г. в \ О часов на заседании диссертационного Совета Д.072.05.03 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Московском государственном техническом университете гражданской авиации по адресу: 125403, Москва, уд.Пулковская, 6а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ ГА.

Автореферат разослан "Л/__" ОУЧ1997г.

Ученый секретарь диссертационного Совета Д 072.05.03 доцент, к.т.н.

/ //л, /ЛЛплл. —к?

Шемаханов М.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Высокая потенциальная точность, обеспечиваемая спутниковыми радионавигационными системами (СРНС) типа ГЛОНЛСС (РФ) и NAVSTAR (USA). особенно в режиме относительных навигационных определений (НЕЮ) позволяет в сочетании с другими средствами обеспечения самолетовождения использовать их для решения таких навигационных задач (НЗ), как посадка на необорудованные взлетно-посадочную полосу и палубу корабля, управление движением воздушного судна (ВС) в плотных строях, сближение и дозаправка в воздухе, поиск и спасение.

Эти задачи требуют не только повышенной точности определения места, но также определения углового положения ВС в пространстве и организации системы управления с использованием каналов передачи и приема с ВС большого объема данных.

Решение перечисленных выше НЗ требует качественного улучшения функционирования радиотехнических систем СРНС, обеспечивающих относительные НВО.

Следует отметить, что в известных работах по СРНС не полностью использованы информационные возможности сигналов, а именно: поляризационные характеристики. В этой связи представляет интерес проанализировать возможность использования поляризационных характеристик сигналов для улучшения качества функционирования указанных систем.

Цель работы.

Целью работы является повышение точности относительных угломерных измерений в СРНС с использованием поляризационных

характеристик сигналов.

Поставленная цель достигается решением следующих основных задач:

1. Разработка принципов определения угловой ориентации ВС при относительных НВО с использованием трехбазового интерферометра.

2. Анализ возможности использования разностно-дальномер-ных НЮ при измерениях по фазе несущей при относительных угломерных определениях.

3. Анализ возможности комплексирования измерителей координат и углового положения ВС.

4. Анализ влияния поляризации радионавигационного сигнала и поляризации приемных антенн угломерного приемника на точность фазовых измерений.

5. Использование поляризационной модуляции в канале передачи данных при относительных угломерных определениях.

6. Оценка информативности параметров поляризации электромагнитной волны.

Методы исследования.

В работе используются методы теории вероятностей, теории случайных процессов, вычислительной математики.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:

1. Разработаны принципы определения угловой ориентации ВС с использованием трехбазового интерферометра при относительных НВО.

2. Определены вероятностные характеристики ошибки фазовых измерений в угломерном приемнике для частично поляризованной волны.

- ь -

3. Установлен класс функций, которые могут быть переданы и однозначно восстановлены при поляризационной модуляции.

4. Показана возможность использования поляризационной модуляции для построения поляризационного кляча, используемого для адресной передачи данных на ВС.

5. Проведена оценка информативности таких параметров поляризации ЗМВ, как коэффициент эллиптичности и угол наклона эллипса поляризации.

Практическая значимость работы.

Результаты проведенных исследований позволяют, используя разработанные принципы относительных угломерных определений, расширить функциональные возможности СРНС типа ГЛОНАСС и ЫАУБТА!? , в частности, для обеспечения захода на посадку и посадки ВС, а также при проведении специальных работ, связанных с необходимостью высокоточного местоопределения и углового положения ВС.

Учет поляризованных характеристик антенн угломерных приемников позволит повысить точность угловых измерений.

Использование поляризационной модуляции позволит повысить помехоустойчивость и скорость передачи информации в канале обмена данными при относительных НВО.

На защиту выносится:

1. Методика оценки влияния взаимного расположения антенн трехбазового интерферометра на точность угломерных определений.

2. Данные сраннтельного анализа информативности параметров эллипса поляризации электромагнитной волны.

3. Теоретическое обоснование возможности использования

поляризационных характеристик сигналов СРНС для повышения точности угломерных определений.

Внедрение результатов работы.

Результаты работы внедрены в Московском конструкторском бюро "Компас" в НИР "Опора", что подтверждается соответствующим актом о внедрении.

Апробация работы.

Основные положения работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной научно-технической конференции "Инженерно-авиационное обеспечение безопасности полетов", апрель 1985, Москва, МИИГА; на Международной научно-технической конференции "Современные научно-технические проблемы гражданской авиации", май 1996, Москва, МГТУ ГА.

Публикации.

Материалы диссретационной работы опубликованы в 9 печатных работах.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, двух разделов, заключения и списка использованных источников.

Материалы изложены на ^^ страницах и содержат $ рисунков, ^ таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследования, приведена структура изложения материала диссертационной работы по разделам.

В первом рааделе рассматриваются принципы относительных угломерных навигационных определений с использованием СРНС, причем, наиболее простой способ таких определений реализуется с использованием трехбазового интерферометра, жестко связанного с ВС. В измерениях используются отсчеты по фазе несущей. Измеряются разности фаз сигналов в трех антеннах от трех космических аппаратов (КА)

ДЦ,. . ^

2?Т

<Г А

По результатам измерений формируется матрица углов между направлениями визирования 1-го КА и направлением З-ой базы

н

соь ; . , с <3 1 л < 5

По результатам определения координат ВС образуется матрица направляющих косинусов линии визирования КА из средних точек баз интерферометра

I

и-

ссьы.

СОЬ сЛ

С С-Ь Л

1 с Лэс

г> ^ у 0055 г

Априорно известна матрица длин баз антенн интерферометра и матрица координат одной антенны относительно другой в системе отсчета объекта:

0 0

0 S1 0

0 О S

к=

ЛУг

A ZzAZ6

Тогда искомая матрица А направляющих косинусов осей системы координат ВС в системе отсчета СРНС может быть найдена так:

Затем она может быть пересчитана в матрицу, составленную из параметров "курс-тангаж-крен" для системы отсчета СРНС:

В - Р(А).

Лучшие точностные характеристики угломерных НВО могут быть реализованы при построении их на основе метода относительных рааностнодальномерных измерений, позволяющего исключить влияние систематических погрешностей, обусловленных кос-

мичесгам сектором СРНС. При использовании этого метода для определения углового положения объекта с помощью трехбазового интерферометра измеряются разности фаз сигналов 1-го КА для двух антенн А и В каждой з'-ой базы интерферометра, затем по этим измерениям в системе отсчета СРНС определяются координаты антенны В] относительно антенны ЛЗ

К

И л м .

Л ■>:, л!, л ТС з

лу.

Л ^ , л л2,

При априорно известных координатах той же антенны Ва относительно А] в системе отсчета ВС

АХ01 & л

И Л

А-

А Ис ,, А Л 2с3

матрица А направляющих косинусов осей системы отсчета ВС в системе отсчета СРНС может быть получена так:

( В-

А ~ К п . К„.

'В

'В

й

Далее матрица А может быть пересчитана в матрицу В искомого углового положения ВС, записанную в параметрах "курс-тангаж-крен"

Использование малобазовых интерферометров с длиной базы Б £ А^ 0,2 м ( Л - длина волны несущей) снимает проблему разрешения многозначности отсчетов. При использовании интерферометров с большей длиной базы, обеспечивающей более высокую точность угломерных НВО, эта проблема решается известными способами.

Далее рассматривается проблема комплексных измерений координат ВС и его углового положения в пространстве на базе относительных НЮ, отмечается независимость этих измерений, что обеспечивает возможность комбинировать различные методы .измерения координат и углового положения ВС, главное, чтобы они обеспечивали необходимую точность для решения конкретной НЗ. При относительных НВО одновременно с измерениями на ВС проводятся аналогичные измерения на объекте координации, относительно которого необходимо определить координаты и угловое положение ВС. Данные измерений или расчетов передаются по цифровому каналу связи на ВС, где и рассчитывается положение последнего относительно объекта координации.

Рассмотренные алгоритмы угломерных НВО строятся на основе разностных измерений в совпадающие моменты времени и в

блиеко расположенных точках пространства, определяемых размерами баз интерферометра. Поэтому системные погрешности, обусловленные космическим сектором, практически не будут сказываться на результирующей точности, которая будет определяться поляризационными ошибками и шумовой погрешностью используемого приемника.

В работе предложена вероятностная модель ошибки фазовых измерений,при этом принимаемая волна считалась частично поляризованной с гауссоиским распределением квадратурных составляющих ортогонально поляризованных компонент волны, а поляризация антенн интерферометра принималась линейной и круговой. Было показано, что ошибка фазовых измерений при угломерных НВО состоит из систематической и случайной составляющих. Первая составляющая определяется различием поляризационных характеристик антенн интерферометра и может быть учтена при расчете вектора положения ВС. Что касается второй составляющей, то она определяется такими параметрами, как модуль и аргумент обобщенного коэффициента корреляции ортогональных компонент частично поляризованной волны и дисперсиями последних.

Во втором разделе рассматривается поляризационная модуляция как один из возможных способов обеспечения высокой достоверности передачи информации с объекта координации на борт ВС при относительных НВО.

Установлен класс функций, которые могут быть переданы и однозначно восстановлены при поляризационной модуляции, проведена оценка точности восстановления передаваемых сообщений по заданной точности определения углов наклона и эллиптичности эллипса поляризации ЗМВ.

Был рассчитан спектр поляривационно-модулированного колебания при простейших передаваемых сообщениях, сделано обобщение на случай сложных сообщений.

С использованием поляризационной модуляции был построен поляризационный ключ, необходимый для открывания приемного канала передачи данных на том ВС, на борт которого требуется передать информацию. Было оценено количество модуляционных позиций исходя из максимально возможных значений и точности определения углов наклона и эллиптичности эллипса поляризации ЭМВ.

Было установлено, что для высокоточного определения параметров эллипса поляризации при движении ВС необходимо иметь три антенны со взаимно ортогональными поляризациями.

Был разработан алгоритм определения параметров полностью поляризованной составляющей при приеме частично поляризованной волны.

Исходя из условия относительного изменения параметров эллипса 5МВ на краях диаграммы направленности передающих антенн, получены соотношения, определяющие расстояние между фазовыми центрами этих антенн.

В работе рассмотрено для построения поляризационного ключа использование квазиполяризованных волн, поляризация которых медленно, по сравнению с периодом высокой частоты, изменяется с течением времени по требуемому закону. В режиме полного поляризационного сканирования (ППС), когда точка, изображающая эллипс поляризации на сфере Пуанкаре, описывает некоторую плавную спираль, раскручивающуюся из одной точки и закручивающуюся в диаметрально противоположной, опознава-

- м

тельная информация залажена в частотах сканирования 2 и Ли). Эти частоты не зависят от углового положения приемных антенн относительно передающих, и количество модуляционных позиций определяется разносом по ним.

Существующие передающие устройства, реализующие режим ППС, формируют сигналы с требуемыми характеристиками на низкой частоте с последующим переносом на более высокую рабочую частоту. Была предложена схема передатчика с ППС, построенная на линейных фазовращателях с управлением параметрами поляризации 5МВ на рабочей частоте электрическим способом.

Предложенный алгоритм работы приемного устройства при воздействии на него частично поляризованной ЗМВ позволяет выделить частоты поляризационного сканирования 2 и д. со .

В работе оценивается информативность таких параметров эллипса поляризации ЗМВ, как коэффициент эллиптичности и угол наклона большой оси эллипса при обнаружении бинарных частично поляризованных сигналов.

Расчеты показали следующее:

- количество информации при приеме частично поляризованной ЭМВ при использовании в качестве информативного параметра коэффициента эллиптичности больше количества информации при использовании угла наклона эллипса поляризации в пределах от 6 до 140 раз при изменении модуля коэффициента корреляции между ортогональными составляющими ЗМВ от 0,9 до 0,1;

- информативность угла наклона эллипса поляризации меняется в пределах от 0,0007 до 0,1686 двоичных единиц при изменении модуля коэффициента корреляции от 0,1 до 0,9;

- изменение модуля коэффициента корреляции практически

не оказывает влияние на информативность коэффициента эллиптичности;

- изменение соотношения дисперсий ортогональных составляющих ЭМВ слабо влияет на информативность угла наклона эллипса поляризации. Что касается коэффициента эллиптичности, то при изменении отношения дисперсий от 0,1 до 1 количество информации менялось от 0,999 до 0,924 двоичных единиц;

- количество информации, заключенное в дискретных значениях коэффициента эллиптичности слабо зависит от числа интервалов разбиения п области его возможных значений от 0 до 1;

- информативность дискретных значений угла наклона эллипса поляризации существенно зависит от п и меняется от 0,0427 до 0,1639 при изменении п от 2 до 10, но уже при п=4 отличается всего на 19% от того, что имеет место при исполь-вовании непрерывных значений угла наклона эллипса поляризации.

Основные результаты работы сводятся к следующему:

1. Разработаны алгоритмы определения угловой ориентации ВС при относительных НВО с использованием трехбазового интерферометра.

2. Предложен раэностно-дальномерный метод НВО при измерении по фазе несущей при относительных угломерных определениях.

3..Показана независимость измерений координат и углового положения ВС, что позволяет комбинировать различные методы их определения.

4. Предложена вероятностная модель ошибки фазовых измерений в угломерном приемнике для частично поляризованной волны.

5. Установлен класс функций, которые могут быть переданы и однозначно восстановлены при поляризационной модуляции.

6. Предложена структурная схема поляризационного ключа при приеме полностью и частично поляризованных ЭМВ при стати-чеасом и динамическом режимах поляризационной модуляции.

7. Проведена оценка информативности коэффициента эллиптичности и угла наклона эллипса поляризации при обнаружении бинарных частично поляризованных сигналов.

На основе полученных результатов можно сделать следующие выводы:

1. Предложенные алгоритмы относительных угломерных определений с использованием разностно-дальномерного метода при измерениях по фазе несущей позволяют существенно расширить область применения СРНС ГЛОНАСС и МАУБТА!?.

2. Полученная в работе вероятностная модель ошибки фазовых измерений в угломерном приемнике для частично поляризованной ЭМВ позволяет учесть различие поляризованных характеристик антенн трехбазового интерферометра с целью повышения точности угломерных определений.

3. Установленный класс модулирующих по поляризации функций позволяет выявить ограничения, которые должны быть наложены на последний, чтобы они могли быть однозначно восстановлены.

4. Разработанный поляризационный ключ позволяет осуществить адресную передачу данных на ВС.

5. Проведенная оценка информативности коэффициента эллиптичности и угла наклона эллипса поляризации при обнаружении биполярных частично поляризованных сигналов позволяет вы-

бирать вид поляризационной модуляции ЭМВ при передаче данных при относительных НВО, а также способ обработки принимаемых сигналов.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Шемаханов М.М., Илюхин A.A. Передающее устройство с управляемой поляризацией сигнала трехсантиметрового диапазона волн. В кн:"Теория и техника радиолокации, радионавигации и радиосвязи в гражданской авиации".-Рига:РИО РКИИГА, 1982.

2. Шемаханов М.М., Илюхин A.A. Передающее устройство с полным поляризационным сканированием для систем обеспечения безопасности полетов. В кн.:"Инженерно-авиационное обеспечение бевопасности полетов", Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции.-М.: МИИГА, 1985.

3. Илюхин A.A., Калинчбв С.С., Рубцов В.Д. Угломерные навигационные определения ВС с использованием СРНС. В кн.: "Современные научно-технические проблемы гражданской авиации", Тезисы докладов международной научно-технической конференции. -М.: МГТУ ГА, 1996.

4. Илюхин A.A. Влияние поляризации антенн интерферометра на точность угломерных навигационных определений воздушных судов с использованием спутниковой радионавигационной системы. В кн.: "Радиотехническое обеспечение систем УВД".- М.: РИО МГТУ ГА, 1996.

5. Илюхин A.A., Калинчео С.С. Комплексное измерение координат и углового положения воздушного судна методом относительных измерений с дискретным каналом связи. В кн.: "Теория

и практика применения и совершенствования радиоэлектронных систем ГА",- М.: FHO МГТУ ГА, 1996.

6. Илюхин A.A., Калинчев С.С. Комплексное измерение координат и углового положения воздушного судна разностно даль-номерным способом с радиоизмерительным каналом связи. В кн.:"Теория и практика применения и совершенствования радиоэлектронных систем ГА".-М.: РИО МГТУ ГА, 1996.

7. Илюхин A.A., Калинчев С. С. Принцип угломерных навигационных определений с использованием спутниковой радионавигационной системы. В кн.: "Теория и практика применения и совершенствования радиоэлектронных систем ГА".-М.: РИО МГТУ ГА, 1996.

8. Илюхин A.A. Использование пространственно-временной модуляции для одновременной передачи двух независимых сообщений. В кн.: "Радиотехническое обеспечение систем УВД".-М.: РИО МГТУ ГА, 1996.

9. Илюхин A.A. Использование пространственно-временной модуляции для построения поляризационного ключа. В кн.: "Радиотехническое обеспечение систем УВД".-М.: РИО МГТУ ГА, 1995.

Соискатель

А.А.Илюхин