автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.14, диссертация на тему:Пути повышения эффективности радионавигационных систем дальней навигации наземного и космического базирования при их комплексном применении

На правах рукописи

ЦАРЕВ Виктор Михайлович

Пути повышения эффективности радионавигационных систем дальней навигации наземного и космического базирования при их комплексном применении

Специальность: 05.12.14 - "Радиолокация и радионавигация, технические науки"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2005г.

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

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Мосяков Е.А. доктор технических наук, профессор Семенов Г. А.

кандидат технических наук, Баринов С.П.

Ведущая организация:

ОАО «РИРВ»

Защита диссертации состоится ■ 2005 года на заседании

диссертационного совета Д 850.001.01 при Московской академии рынка труда и

информационных технологий по адресу: Молодогвардейская, д. 46, корпус /V

121351, Москва, ул.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии

Автореферат разослан

«#« С 5 2005г.

Ученый секретарь диссертационного совета^.

Кандидат технических наук, профессоружИУ/. «С^Чересов Ю.И.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Отечественный и зарубежный опыт эксплуатации

импульсно-фазовых радионавигационных систем (ИФРНС) дальнего действия наземного базирования — «Чайка» и «Loran-С» и спутниковых радионавигационных систем (СНС) - ГЛОНАСС и GPS показывает, что ни одна из них в отдельности не способна удовлетворить современные требования потребителей по точности, доступности, целостности и непрерывности навигационного обеспечения.

В настоящее время общепризнанно, что для выполнения требований потребителей по доступности, точности, целостности и непрерывности обслуживания, СНС нуждаются в дополнениях.

С появлением технологий, позволяющих опорным станциям ФРНС и ИФРНС передавать информацию за счет модуляции параметров собственных радионавигационных сигналов, широкое развитие получила концепция интегрированной радионавигационной системы (ИРНС), в основе которой лежит интеграция радионавигационных полей наземных и космических РНС.

Из изложенного выше можно сделать вывод об актуальности проведения исследований по теме диссертации, направленных на повышение эффективности средств дальней навигации посредством совершенствования способов совместной комплексной обработки навигационной информации на опорных станциях и в аппаратуре потребителей (АП).

Цель и задачи исследований. Целью работы является разработка методов и средств повышения эффективности радионавигационных систем дальней навигации (РСДН) за счет улучшения их точностных характеристик в условиях совместной обработки сигналов наземных систем и систем космического базирования. Для достижения поставленной цели необходимо было решение следующих задач:

1. Анализ существующих РСДН и уточнение предъявляемых к ним требований.

2. Формулирование основных ианравямшй -развития и

Т гас НАЦИОНАЛЬНАЯ 1

I БИБЛИОТЕКА {

! ¿»gsff/j

«——-мю Л

совершенствования систем навигационно-временного обеспечения

(НВО) потребителей.

3. Разработка методики оценки эффективности функционирования РСДН в дифференциальном режиме.

4. Выработка предложений по комплексной обработке информации РСДН и спутниковой радионавигационной системы (СНС).

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 РСДН и разработаны средства, обеспечивающие это сокращение.

В диссертации получены следующие основные результаты:

1. Проведен анализ современного состояния парка отечественных радионавигационных систем дальнего действия, включая глобальные среднеорбитные системы космического базирования, в результате которого сформулирован вывод об их доминирующей роли в навигационном обеспечении.

2. На основе проведенного анализа сделано заключение о невозможности удовлетворения современным требованиям потребителей по точности и надежности навигационного обеспечения при раздельном использовании этих систем.

3. Сформулирован вывод о необходимости одновременного, наряду с совершенствованием наземного сегмента интегрированной радионавигационной системы, создания бортовой комплексированной аппаратуры потребителей, обеспечивающей совместную обработку информации всех навигационных средств объекта.

4. В результате исследований источников возникновения погрешностей случайного и систематического характера определены пути их

сокращения за счет применения перспективных способов интеграции систем космического и наземного базирования.

5. Разработана статистическая модель дифференциальных поправок РСДН, учитывающая случайный характер проводимости земной поверхности по трассам распространения радиоволн, позволяющая сформировать оптимальные дифференциальные поправки по всей зоне действия дифференциальной подсистемы РСДН.

6. Разработана методика оценки эффективности РСДН в дифференциальном режиме.

7. Разработаны частные методики оценки средних квадратических погрешностей (СКП) навигационных определений.

8. Обоснована эффективность применения комплексной первичной обработки сигналов импульсно-фазовых систем наземного базирования и спутниковых систем в авиационной аппаратуре потребителей с использованием информации от инерциальной системы объекта.

10. Сформулированы критерии количественной оценки эффективности внедрения новых перспективных режимов РСДН.

11. Разработана методика оценки эффективности радионавигационной системы дальней навигации в дифференциальном режиме.

12. Предложен перспективный способ достижения высокой точности навигационного поля РСДН в локальной области путем охвата цепочки НПС кольцом обратной связи, в котором роль датчиков информации о качестве навигационного поля выполняют КП, а управляющего элемента - ПУС.

13. Разработан квази-оптимальный алгоритм комплексной первичной обработки сигналов спутниковых и импульсно-фазовых РСДН.

Практическая значимость работы состоит в том, что полученные в ней результаты позволяют провести предварительную оценку погрешностей

навигационных определений по сигналам РСДН и повысить точность абсолютного местоопределения подвижных объектов за счет применения дифференциального режимов РСДН, совместного применения РСДН наземного и космического базирования и комплексной обработки информации в бортовой аппаратуре потребителей.

Основные положения, выносимые яа защиту:

1 .Статистическая модель декорреляции дифференциальных поправок в РСДН.

2.Методика оценки эффективности РСДН в дифференциальном режиме.

3.Частная методика оценки СКП, обусловленной воздействием помех в канале передачи дифференциальных поправок.

4.Квази-оптимальный алгоритм комплексной первичной обработки информации в авиационной аппаратуре потребителей.

Внедрение результатов. Результаты диссертационной работы внедрены в ОАО «Российский институт радионавигации и времени» (г. С-Петербург, Российская Федерация), в Центре дальней радионавигации (авиации ВС) и в ГОУ Московская академия рынка труда и информационных технологий, что подтверждено соответствующими актами.

Апробация результатов. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на международной научно - методической и научно -исследовательской конференции «МАДИ (ГТУ) - 75 лет» и на Международной конференции Международной академии информатизации «Экологическая безопасность жизнедеятельности человека в 21 веке -проблемы и решения».

Публикация результатов. По теме исследований опубликовано 14 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованных источников, она изложена на 125 листах основного текста. Работа иллюстрирована 10 таблицами и 21 рисунком. Список литературы содержит 32 источника.

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 проанализировано состояния РСДН и их систем контроля. В настоящее время в России эксплуатируются импульсно-фазовая РСДН «Чайка» наземного базирования, предназначенная для навигационного обеспечения подвижных объектов всех групп потребителей с точностью, достаточной для решения транспортных задач. Система обеспечивает непрерывное определение плановых координат потребителями при неограниченной пропускной способности с точностью 150-500 м (СКП). Общая площадь рабочих зон всех систем составляет около 20 млн. км2, рабочая частота 100 кГц, доступность системы - 0,97.

Спутниковая РНС ГЛОНАСС позволяет потребителям определять три пространственные координаты, три составляющие вектора скорости объекта и смещение шкалы времени (ШВ) объекта относительно ШВ системы. Она предназначена для непрерывного глобального НВО неограниченного числа потребителей на суше, в воздухе, на море или в космосе. Полностью развернутая орбитальная группировка ГЛОНАСС содержит 24 навигационных космических аппарата (НКА). Система начала функционировать в составе из 24 НКА с 18 января 1996 года. В настоящее время количество НКА системы ГЛОНАСС по разным причинам сократилось до 9, что существенно снижает характеристики системы. В отдельных случаях местоопределение по сигналам СРНС ГЛОНАСС становится невозможным. Потенциально достижимые точностные характеристики определения координат и скорости по сигналам СРНС ГЛОНАСС следующие: по плановым координатам - 10-15 м, по высоте - 15-20 м и по скорости -3-5 м/сек. Современные требования потребителей к точности местоопределения для различных задач (кроме захода и посадки по

категориям ИКАО) приведены в таблице 1. Анализ действий авиации на Северном Кавказе показал, что развернутая в регионе система РСДН не удовлетворяет требованиям потребителей. Главный недостаток присущий РСДН наземного базирования - низкая точность определения плановых

координат.

Таблица 1

Решаемые задачи Зоны полета СКП, м

Над океаном:

Воздушные трассы шириной 20 км 5800

Воздушные трассы шириной 10 км 2500

Местные воздушные линии: 1250

Полет по маршруту I категории

II категории 500

Воздушные трассы при 250

использовании метода зональной 230

навигации

Полет в зоне аэродрома 200

Некатегорированный 50-75

заход на посадку

Специальные полеты 1-10

Требуемая точность навигационных определений в РСДН должна составлять а = 50-100м в пределах круга радиусом 100 км.

Вторая глава посвящена исследованиям путей развития и совершенствования РСДН. Одним из них является интеграция РСДН наземного и космического базирования. Для этого требуется создание единой шкалы времени для наземных и космических РНС (UTS (SU)) и использование единой системы координат ПЗ-90. В рамках интеграции систем можно дополнительно использовать ИФРНС для передачи потребителям контрольно-корректирующей информации (ККИ) для СНС. Повышение точности НВО в локальной области может бьггь достигнуто путем реализации дифференциального режима в РНС, заключающегося в измерении фактических поправок в точке с точно известными координатами и передачи их потребителю. Дифференциальная подсистема состоит из контрольно-корректирующей станции (ККС), на которой

размещена

аппаратура, обеспечивающая

прием

навигационных сигналов, вычисление дифференциальных поправок и передачи их потребителям. Большое значение для реализации дифференциального режима имеют каналы связи для передачи ККИ, выбор которых зависит от требуемой скорости передачи информации и размеров зоны действия подсистемы (региональные или локальные).

В региональных подсистемах с зоной действия до нескольких сотен км и точностью местоопределения до 5м (СКП) в качестве каналов передачи ККИ потребителям СРНС могут быть использованы ИФРНС.

РСДН, в которой реализован дифференциальный режим, может быть развернута в составе 3...5 ОС и обычно одной ККС локальной контрольно-корректирующей станции (ЛККС) (Рис.1). Точные координаты каждой ОС и ЛККС известны.

Рис. 1. РСДН в составе 3-х НПС и 1-й ЛККС. ЛА находится в точке Б. СКП определения РНП при реализации дифференциального метода на

аккс, Стал - СКП измерений РНП в ЛККС и в АП, содержащие инструментальную и флюктуационную составляющие; стр - остаточная СКП дифференциального метода, вызванная различием условий распространения радиоволн на трассах до ЛККС и ЛА. Таким образом, остаточная систематическая погрешность

ОС2

ОС

борту ЛА определяется следующим выражением

где

определения координат на борту ЛА в дифференциальном режиме РСДН в значительной степени определяется различием электрических свойств трасс от наземных станций до ЛА и ЛККС соответственно, т.е. пространственной декорреляцией дифференциальной поправки.

Основное внимание во второй главе уделено разработке статистической модели декорреляции ДП РСДН, учитывающей случайный характер проводимости земной поверхности по трассам распространения радиоволн. В поставленной задаче требуется определить аналитическое выражение для корреляционной функции Т(11) времени задержки радиоволны между двумя произвольно выбранными точками рабочей зоны

РНС Я, и Я2. Выражение КТ(К,,ДК) = К0(К1+ДЯ>-вЛК Я,-—(1-е-2аК|)

I 2а

определяет искомую КФ. Приравняв ДК. к нулю, найдем дисперсию

^(Ю-К^-^-е"«)

откуда следует, что с ростом Я

неограниченно возрастает ЕМД), так как 1тОт(к) = °о. Последнее

свидетельствует о существенной нестационарности процесса

Т(Я). Нормированная КФ имеет вид В„Т(К,АК)= К + ЛКе'°АК.

Я

Так как это выражение представляет собой линейное преобразование гауссовской случайной величины, то процесс Т(11) произвольного Я будет описываться гауссовской плотностью вероятности, которая характеризуется двумя параметрами - математическим ожиданием (МО) и дисперсией. Выражения для плотности вероятности

Р(Т,)= -----1==-==ехр

Т&)- С,УсЯ - - е"» )Т

и дисперсии

«.[к.-.-«)] позволяют сформировать оптимальные ДП по всей зоне действия ККС по формуле ДтАК = + { Л 2-= т*к + к(АЯ)(дхккс - т^с),

где

к(ДЯ) = нормированный корреляционный момент ДП для точек,

удаленных на расстояние ДЯ друг от друга.

В третьей главе рассматриваются вопросы эффективности

дифференциального режима РСДН в условиях принятия единственного условного показателя - точности измерения РНП. На основе анализа отдельных составляющих суммарной погрешности: СКП измерений наЛККС; погрешности вследствие искажений значений ДП в коротковолновом (КВ) канале их передачи потребителям; СКП измерений НП и остаточная нескомпенсированная составляющая погрешности в аппаратуре потребителей разработаны частные методики априорной оценки

упомянутых составляющих и обобщающая методика оценки погрешности РСДН в дифференциальном режиме. Поскольку оценки СКП измерений РНП при наличии шумовых помех в радиоканале оптимальными измерителями хорошо известны, то главное внимание было уделено высотной составляющей, погрешностям при передаче ДП по связному КВ каналу и нескомпенсированной остаточной составляющей измерений РНП в аппаратуре потребителей.

С позиции теории вероятности появление ошибки в оценке РПН

величиной Т| и прием ошибочной комбинации V, являются статистически

эквивалентными событиями, т.к. находятся в причинно-следственной связи.

Отсюда: распределение вероятностей для ошибочных комбинаций является

распределением ошибок оценки РНП Р1(у,) = Р|(т,),1 = 0,Ь-

На основании этого выражения можно найти дисперсию погрешности

ь г

обусловленную помехами в КВ радиоканале Б, -ш,) Р,(т,)

■-о

ь

где т, = £т,Р,(т,)- математическое ожидание ошибки РНП. Таким образом, 1-0

главными элементами в методике оценки СКП РНП вызванной помехами в КВ радиоканале является решение задач по оценке отношения сигнал/помеха на

входе KB ПРМ JIA и нахождению распределения вероятностей

ошибочных комбинаций. Следует отметить, что при практической реализации радиоканала для трансляции ДП на борт JIA, необходимо предусмотреть передачу старших разрядов числа большим количеством бит, т.е. введение избыточности, а также, применение помехоустойчивого кодирования.

Процесс оценки РНП на борту JIA ничем не отличается от измерений проводимых на JIKKC. В тоже время, существует отличие, состоящее в том, в показания ПИ JIA входит так называемая высотная погрешность. Эта погрешность вызвана тем, что по мере увеличения высоты полета электромагнитное поле поверхностной волны ослабевает. Обычно, ее стараются учесть непосредственно в вычислителе ПИ. Зависимость погрешности от высоты полета имеет сложный нелинейный характер. Кроме того, высотная погрешность зависит от характеристик проводимости подстилающей поверхности. Которая, в свою очередь, как функция времени представляет собой случайный процесс, зависящий от конкретных метеоусловий.

Определения СКП высотной погрешности производится на основании априорных данных по условиям распространения сигнала определяется плотность вероятности проводимости подстилающей поверхности P(Y). Высотная функция представляется как функция ослабления и линеаризуется в окрестности точки оптимума - наилучшей высоты полета по которой отыскивается о2у дисперсия распределения P(Y). СКП высотной погрешности определяется как линейное преобразование сг2у. Следует отметить, что наличие высотной погрешности справедливо для любых режимов работы РСДН, в том числе и ДР.

Далее приводится методика оценки нескомпенсированной погрешности дифференциальной поправки и оценки СКП определения координат JIA в ДР.

В основе явления декорреляции поправок лежит различие в трассах прохождения радиоволн от НПС до ЛККС и от НПС до J1A. Часто употребляемая модель декорреляции поправок, основана на предложении, что

нормированная корреляционная функция описывается выражением Т!.д,(с1)= ехр— ,

О '

поправок

где Б - радиус

к РНП

пространственной корреляции,

Такое представление функции корреляции является более продуктивным с точки зрения возможности синтеза оптимальных алгоритмов экстраполяции поправок в заданную точку пространства. Оценим величину СКП нескомпенсированной погрешности, взяв за основу расчетов такую модель.

Известно, что корреляционной функцией такого типа обладает гауссовский марковский процесс, задаваемый дифференциальным

уравнениемДт,(х,у) = -ВДт,(х,у)+ п(х,у), где п(х,у) - гауссовский белый шум, определенный в каждой точке плоскости переменных (х,у) с

характеристиками м{п(х,у)}=0 и М{п(х,у)п(х1у|)} = ^-5(х-х|,у-у1), гдеN0-

спектральная плотность флуктуаций.

Под термином процесс будем понимать не процесс в обычном смысле (как временную функцию), а пространственный процесс. Т. е. в нем аргумент ^ время замещен на (х,у) - пространственные координаты. Соответственно реализации такого процесса будут случайными функциями координат. Для него распределение возможных значений величины Ах-, описывается

1 "М N п

гауссовской плотностью вероятности Р(Дт,)=—¡=е ' 2"? ', где а? =—2—

а,7271 4

дисперсия процесса. Поэтому, предполагаются известными плотности

вероятности Р(Дтла) и Р(Атлккс). Последнее позволяет найти плотность

вероятности величины 5т, получаемой в результате линейного

преобразования. Приведем окончательное выражение для Р(5т)

со

Р(5т) = |р(8т+Дт.Е )Р(Дт.е )1Дт.е. Это выражение дает возможность

«о

вычислить дисперсию величины 8т |(5т-т!)2Р(5т)15т.

Математическое ожидание raj равно нулю, так как М{ДТ.£} = МК,.}=0,

С учетом всех ранее приведенных выражений СКП оценки точности определения РНПна ЛА в дифференциальном режиме имеет вид Одр = + CTL + + CTe, > где составляющие подкоренного выражения представляют дисперсии погрешностей оценок РНП, дифференциальных поправок и 5г, численные значения которых отыскиваются по разработанным частным методикам.

В четвертой главе диссертации представлены материалы разработки алгоритма первичной комплексной обработки информации (КОИ) радионавигационного датчика (корректора) - приемника СНС и инерциальной системы ЛА.

В соответствии с общей методикой решения задачи синтеза оптимальной

бортовой системы комплексной обработки информации (КОИ) первым ее

этапом стала разработка математических моделей полезных сигналов, помех,

информационных и сопутствующих процессов. В связи с этим в данной главе

рассматриваются математические модели сигналов и помех СРНС, ИФ РСДН и

данных инерциальной навигационной системы (ИНС). В СНС используются

дискретно-непрерывные шумоподобные сигналы (ШПС) вида

swli (t, ©,, Фь) = ATgTl (Ocostw,! + (tí / 2 - 0^71)+<p„ (t)]+ + A„g„ (t)sin[w,t + @к,л + фц (t)]

s,i,(t,6,,<p2l) = BTgTl(t)cos[wjt + (я /2-©к,я) + q>2,(t)], где Ат, Вт и Ar - амплитуды

излучаемых сигналов, модулируемых различными ПСП (точным и грубым кодом);

ёт;0) = Еак.гесФ-(к-1>ст1

К"' огибающие сигналов от i-ro НИСЗ с

g«,(t) = ¿2>„гесф " (п - l)T„ - (1 - lhJ

n.l l-l

длительностями модулирующих ПСП тИт и тиг!

Полезный сигнал на входе одного из каналов бортового приемного устройства СРНС применительно к одному из НКА при модуляции несущей частоты ПСП грубого кода для I ^ + Т], к=0,1,2,... можно представить в виде

= + гДе: МО и wc - амплитуда и

несущая частота сигнала; с!с(1) - псевдодальность ЛА-НИСЗ; фс(0 - случайный набег фазы сигнала, обусловленный влиянием эффекта Доплера, нестабильностью задающего генератора (ЗГ) и влиянием распространения радиоволн.

Модель случайной фазы в достаточно полно описывается системой уравнений

£ = + (К, /2)"п ,

<Л С £71

= »сст4»с)03п»>,(^ = ^со > где: Д\ус(г) - уход частоты за

счет долговременной нестабильности ЗГ; . доплеровское смещение

с а

частоты;

п,,^), п№С(1:) - гауссовские белые шумы с нулевыми математическими ожиданиями и единичными интенсивностями; у«,с - коэффициент, характеризующий ширину спектра флюктуаций частоты задающего генератора (ЗГ); с^дте - дисперсия флюктуаций частоты ЗГ.

При воздействии широкополосных помех аддитивную смесь можно представить в виде ?с(1) = 5с(1>х>®) + п^(')' где: п^) - сумма приведенного ко входу внутреннего шума и внешних шумов.

Так как сигналы НПС и НКА излучаются в единой ШВ, то сигналы НПС

ИФ РСДН могут быть описаны следующими выражениями >

^.Фбк1,ФеН,(1-тб,Фек|,Ф,),

2т;

софур(1-®к1)+Ф,к'+ф,],

s.(t, Ф". Ф.)=s. (t - т., , где: т6 = тп + x0i, т„ = т6 + т„ + тш + т^ + т02; t„ -

длительность импульса; wp = 2nfp - несущая частота; Фиа, Фк|6, фи, - фазы сигналов соответствующих НПС, которые принимают значения 0 или л в соответствии со структурой кода; ©w = (к-1)Тпр + (1-1 )Т„ - моменты излучения 1-го импульса к-ой пачки; Т„ - период повторения импульсов в пачке; Тпр -период повторения пачек импульсов; фа, фб, фв - случайные фазы сигналов; т„ -длительность пачки импульсов; та6, тав - известные времена распространения радиоволн вдоль соответствующих баз НПС; тш, т02 - постоянная задержка излучения, обеспечивающая временное разделение ведомых НПС В и С.

В отличие от СНС для ИФ РСДН кроме широкополосных помех характерными являются узкополосные и сигналоподобные помехи, обусловленные переотражениями сигнала (поверхностная и пространственная волна) и преднамеренными имитационными помехами. При этом модель узкополосных помех S„(t) может быть описана выражением вида s„(t) = An(t)cosJwpt+<pn(t)j,rfle фаза cpn(t) и амплитуда A„(t) - медленно

изменяющиеся по сравнению с cos(wpt) независимые случайные величины, распределенные по равномерному закону и закону Релея соответственно.

Таким образом, приведенные соотношения позволяют достаточно полно описать полезные радиосигналы на входах бортовых приемниках СНС и ИФ РСДН.

Использование ИС в составе системы КОИ предполагает математическое описание данных ИС с учетом лишь основных закономерностей ее работы и характера ошибок на сравнительно коротких интервалах времени, определяемых длительностью переходных процессов в СНС и ИФ РСДН. Такие Модели, отражая физическую сущность явлений, лежащих в основе построения ИС, являются достаточно простыми и широко используются при синтезе алгоритмов совместной обработки информации в навигационных комплексах. При этом, для определенности рассуждений будем считать, что оси инерциальной СК совпадают с осями нормальной СК. Выходные сигналы ИНС

в этом случае при измерении скорости можно представить в виде Ук", = Ук,+Еу, где: Укт, =[Ук„,Уку,,Укг,] - вектор земной скорости ЛА в

проекциях на оси нормальной СК; Е^ =[Еи,Еч,Еуг] - вектор ошибок измерения

скорости. Априорные .уравнения, описывающие изменение ошибок измерения скорости ИНС имеют вид

^ = Е.+Д ,ЕЛ) = ЕУ0>

^)=-®.Е.0)+(2®.а>)°4(0 ,Е.(10) = Е.0, где

^ = 0 ,ДЫ = А0, = [Е«(1)'Е.у(1)'Е>Д1)]" вектор флуктуационных ошибок измерения ускорений; Дт = [д„, Ду,Дг] - вектор постоянных и медленно меняющихся

ошибок измерения ускорений; Е„о - ошибки начальной выставки ИНС по скорости, представляющие собой гауссовские случайные величины с нулевым математическим ожиданием;

М^(1)=[п„,п,у>п„]- вектор формирующих стандартных белых гауссовских шумов;

0а -параметр, характеризующий ширину спектра флуктуационных ошибок; ст2, -

стационарная дисперсия этих ошибок.

Применительно к задачам дискретной обработки информации эта модель

я Еу(1к+1) = Еу(1к)+ТД(1к)+Г,н(1к), Еу(10) = Еу0,

может быть представлена в виде . . , ; . .

Л(0 = Д(Ч). А(1о) = Д». приТ0. »1,

где: Г, =1о,(2Т/©,)05, I-единичная матрица. Основной особенностью

рассмотренных математических моделей данных ИС является то, что они

содержат коррелированные (окрашенные) ошибки измерений

Оптимальная оценка вектора состояния Х(1), как известно, определяется на

основании знания апостериорной плотности вероятности, которая отыскивается

путем решения уравнения Стратоновича. При этом, задача оптимального

нелинейного оценивания в данном случае может быть сформулирована следующим образом. Имея априорные сведения о векторе состояния Х(0 и располагая наблюдениями в виде дискретно - непрерывного, импульсного и

дискретного сигналов, определить наилучшую оценку вектора состояния Х^), которая должна удовлетворять критерию минимума апостериорного среднего

риска х = х:тш||с^х,х^р(г,х|3||1)ах .где функция потерь,

задаваемая на основании выбранного критерия; р^.х]^) - апостериорная

плотность вероятности процесса Хф; Х- оценка процесса X, которая из

множества оценок х обеспечивает минимум апостериорного риска; Нт = [!;„,- вектор наблюдений, компоненты которого, с учетом модели

оцениваемого вектора состояния Х^), определяются в соответствии с выражениями:

Ц^фАДОоДх^е^+п^),

2Л)=н(1к)х(0+и(д, и(1к) = Ф11ии(1к.|)+ФихХ(1к.,)+ГиК„и(1к.|), где V"] - измеренные с помощью ИБС проекции путевой скорости

ЛА на оси нормальной СК; бДхь) и Ор(Хк) - детерминированные функции, связывающие радионавигационные параметры (РНП) дискретно-непрерывного и импульсного радиосигналов с оцениваемым вектором состояния Х(1:); п^) и п^) - независимые белые гауссовские шумы измерений с

известными статистическими характеристиками; Н^), Фии, Фр, и Г„ - известные матрицы, элементы которых определяются в соответствии с моделью данных ИНС; и^) - вектор окрашенных шумов измерений на выходе ИНС; Н, - вектор формирующих стандартных гауссовских случайных величин с независимыми

значениями, нулевыми математическими ожиданиями и

единичными дисперсиями.

Для определенности дальнейших рассуждений следует отметить, что в работе под оптимальными понимаются алгоритмы, получаемые на основе апостериорной плотности вероятности, являющейся решением соответствующего уравнения Стратоновича. Под квазиоптимальными алгоритмами понимаются те, которые получены в результате определенных упрощений при решении уравнения для апостериорной плотности вероятности (в частности ее гауссовская апроксимация)

Опуская математические обоснования решения этой задачи, приведем окончательные соотношения для нахождения оценок процесса Х(1) в моменты времени ^.к = 0,1,2..., могут быть получены следующие соотношения Х'(1ы) = х:р + К(1к+1)[5(41[+1)-Ф1Ш3(4к)-ФЕХх:р1

где: Х*р =Фххх(^ь+т)+ФТУуп(1к),а оптимальные значения матрицы коэффициентов передачи определяются выражениями

^(1ь+,)=[ф„к(*1с|1к +т)ф* +в„]-к(п+1)[фяд(гк|111 +т)ф; +вхя].

Входящие в эти выражения матрицы определяются моделями априорных изменений процесса Х(Х) и наблюдений имеют вид

Фа =Н(1к+1)Ф„ -Ф„„Н(1к)+Фих,

В« = ГхГл > ВхЕ=В«>Н(1к+1),

внв = н(1к+1)вин(1к+1) + гхг1.

Ниже приведена структурная схема квазиоптимального алгоритма

КОИ

В пятой главе приводятся результаты экспериментальной оценки эффективности использования КОИ и дифференциальных режимов работы СНС и РСДН наземного базирования применительно к предложенной

совокупности критериев. Для оценивания степени эффективности КОИ в режиме «коррекции» введем коэффициент Кэ точностной эффективности КОИ

как отношение СКП корректора к СКП КОИ Кэ = °™с/ ; вычисляемый для

/ акои

каждого параметра. Если оцененное значение Кэ окажется меньше 1,0, то применение КОИ неэффективно в определении соответствующего параметра. Если значение этого коэффициента окажется близким к 1,0 (0,95 < 1,0 < 1,05), то можно считать, что КОИ не изменяет уровень погрешности корректора в определении данного параметра.

В режиме «прогноза» при оценивании погрешности КОИ в определении одной из координат на участке прогноза фиксируется начальное значение погрешности ДХо для этой координаты сразу после пропадания данных корректора. Затем вычисляется величина М, максимального роста погрешности

Мэ = , где Мкои - максимальное отклонение от ДХо оцениваемой

погрешности КОИ на участке «прогноза»; ТПр - длительность «прогноза».

Для оценки погрешностей КОИ в определении составляющих вектора

скорости в режиме «прогноза» введен показатель к

Эз =£[лу]/К В этом выражении суммирование производится по всем

м

значениям погрешности ДУ на участках прогноза. Величина Бэ вычисляется отдельно для каждой составляющей вектора скорости. Определение скорости в КОИ признается эффективным, если показатель 8Э не превосходит ДУснс-

Для статистической обработки необходимо включать в набор погрешности, временной интервал между которыми превышает интервал корреляции погрешностей НП корректора.

При проведении экспериментальных оценок эффективности предложенных режимов работы РНС дальней навигации (СНС и РСДН наземного базирования) использовался универсальный программный комплекс «Эталон», созданный специалистами ЛИИ им. М.М. Громова. Этот комплекс

предназначен как для проведения летных испытаний JIA и систем, так и для получения непрерывных в течении всего полета эталонных значений параметров траектории движения JIA.

Оценка точности определения НП на борту JIA производилась бортовым программным комплексом ПК «Эталон» (сокращено - ПК-БЭ) в маршрутных полетах. В которых определялись точностные характеристик режима КОИ при работе приемника СНС GPS в стандартном режиме, и в полетах в зоне аэродрома при работе приемника СНС GPS в дифференциальном режиме. В качестве эталонных средств были использованы следующие средства: -инерциальная система И-21; - приемник СНС А-735; средства внешнетраекторных измерений «Опал» и «Янтарь», погрешности измерения координат и высоты ЛА которых составляют (с вероятностью Р = 0,95) 0,5 -1.5м на удалениях от базовой линии и Юм на удалениях 5-14км. Для оценки интервала корреляции вычислялась автокорреляционная функция погрешности корректора по каждому навигационному параметру.

Результаты оценки СКП навигационных параметров и коэффициентов эффективности КОИ в режиме «коррекция» для маневренного самолета приведены в Таблице 2.

Таблица 2

Наименование параметра СКП приемника СНС СКП КОИ Кэ-Оснс/Оцои

Д,[М1 25,3 20,5 1,23

19,2 15,7 1,22

ДН[М] 59,3 61,3 0,97

AVn [м/с] 0,22 0,13 1,69

AVe[M/C] 0,19 0,11 1,73

AVH[M/q 0,41 0,32 1,28

Приведенные данные показывают высокую эффективность применения КОИ (вычисленные Кэ находятся в интервале 0,97 -1,69).

В Таблице 3 приведены результаты СКП навигационных параметров и коэффициентов эффективности КОИ в режиме «коррекция» для тяжелого

самолета. Результаты оценок характеристик КОИ в режиме «прогноза» приведены в Таблице 4. Отметим, что средние значения 8Э абсолютного значения погрешности составляющих вектора скорости во время прогноза в несколько раз больше максимальной скорости роста Мэ соответствующей погрешности.

Таблица 3

Наименование параметра СКП приемника СНС СКП КОИ Кэ -Оснс/бкои

Дф[М] 23,2 17,8 1,30

16,9 14,0 1,21

ДН(м] 43,0 42,2 1,02

ДУы[м/с) 0,20 0,12 1,67

ДУЕ[М/С] 0,18 0,10 1,80

ДУн[мс] 0,38 0,27 1,47

Таблица 4

Наименование параметра МЭ[М/С] Наименование параметра 8Э[м/с)

Дф 0,13 ДУМ 0,46

ДЬ 0,09 ДУЕ 0,38

ДН 0,20 ДУН 0,49

Результаты оценок характеристики КОИ в определении текущих координат ЛА при дифференциальном режиме работы приемника СНС приведены в Таблице 5.

Таблица 5

СКП диф. Режима [м] СКП КОИ [м] Коэфф. эффект. КОИ К,ф

ДХ 2,42 2,44 0,99

ДУ 2,65 2,91 0,91

дг 2,39 2,47 0,97

Следует обратить внимание на существенное сокращение значений СКП измерений пространственных координат ЛА в дифференциальном режиме относительно стандартного (Табл. 2). СКП местоопределения в стандартном режиме сМст = -У (23,22 +16,92 +43,02)=51,7м

СКП местоопределения в дифференциальном режиме <уиднт = л/(2'421 + 2,б52 + 2,392) =4.31м.

Сокращение погрешности на порядок свидетельствует об эффективности применения дифференциального режима СНС. Режим «прогноза» (координаты). Осредненные значения Мэ, по всем участкам для каждой координаты приведены в Таблице 6

Таблица 6

Мэ по всем участкам [м/с] Мэ для участков длительностью 30с [м/с] Мэ для участков длительностью 60с [м/с]

AVX 0,09 0,11 0,09

AVy 0,10 0,11 0,10

AVZ 0,09 0,10 0,08

Полученные значения Мэ не превосходят 0,10 м/с, что говорит о сравнительно малом росте погрешности КОИ в определении составляющих вектора скорости в режиме «прогноза».

В Таблице 7 приведены результаты оценки погрешностей плановых координат РСДН в дифференциальном и стандартном режимах (Кэф= адр/ аст) при удалении ЛА от ККС в пределах 5- 20 км.

Таблица 7

СКП диф. реж. [м] СКП сганд. реж. [м] Коэфф. эффект. КОИ К,*

о» 27 176 6,5

ai 19 148 7,8

ом 33 229 6.9

Приведенные данные показывают существенное сокращение погрешности местоопределения РСДН в дифференциальном режиме.

Результаты исследований

1. Проведен анализ современного состояния парка отечественных радионавигационных систем дальнего действия, включая глобальные среднеорбитные системы космического базирования.

2. По результатам анализа сделано заключение о невозможности удовлетворения современным требованиям потребителей по точности и

надежности навигационного обеспечения при раздельном

использовании этих систем.

3. Сформулирован вывод о необходимости комплексирования радионавигационных систем, наземного и космического базирования.

4. Разработана статистическая модель декорреляции ДП РСДН, учитывающая случайный характер проводимости земной поверхности по трассам распространения радиоволн.

5. Разработана методика оценки эффективности РСДН в дифференциальном режиме.

6. Разработаны частные методики оценки СКП навигационных определений, обусловленных воздействием помех в канале передачи дифференциальных поправок; нескомпенсированной погрешностью распространения радиосигналов и погрешностями измерений РНП на летательном аппарате.

7. Обоснована эффективность применения комплексной первичной обработки сигналов импульсно-фазовых систем наземного базирования и спутниковых систем в авиационной аппаратуре потребителей с использованием информации от инерциальной системы объекта.

8. Сформулированы критерии количественной оценки эффективности применения предложенных режимов РСДН.

9. Разработана методика оценки эффективности радионавигационной системы дальней навигации в дифференциальном режиме.

10. Предложен перспективный способ достижения высокой точности навигационного поля РСДН в локальной области путем охвата цепочки НПС кольцом обратной связи, в котором роль датчиков информации о качестве навигационного поля выполняют КП, а управляющего элемента -ПУС.

11. Разработан квази-оптимальный алгоритм комплексной первичной обработки сигналов спутниковых и импульсно-фазовых РСДН и информации от инерциальной системы объекта.

12. Подтверждена теоретическими и экспериментальными исследованиями высокая эффективность использования предложенных способов совершенствования радионавигационных средств.

13. В дифференциальном режиме СНС погрешности определения абсолютных пространственных координат ЛА сокращены в 10-12 раз.

14. В дифференциальном режиме РСДН погрешности определения абсолютных плановых координат ЛА сокращены в 6-7 раз.

15. В результате применения комплексной обработки информации от автономной навигационной аппаратуры и ее корректоров -приемников СНС погрешность определения плановых координат ЛА (в стандартном режиме приемника СНС) сократилась на 22% при увеличении погрешности по высоте на 3% а погрешность определения составляющих вектора скорости сократилась на (28-73)%.

16. Высокая эффективность применения КОИ при пропадании сигналов СНСЛА подтверждается тем, что экспериментально полученные значения коэффициента эффективности М, не превосходят 0,10 м/с, что свидетельствует о сравнительно малом росте погрешности в определении составляющих вектора скорости КОИ в режиме «прогноза» на интервалах отсутствия сигналов порядка бОсек.

17. Результаты диссертационной работы внедрены в ОАО «Российский институт радионавигации и времени» (г. С-Петербург, Российская Федерация), в Центре дальней радионавигации (авиации ВС) и в ГОУ Московская академия рынка труда и информационных технологий, что подтверждено соответствующими актами.

На основании полученных результатов решена научная задача по повышению эффективности систем и средств координатно-временного обеспечения, точности и надежности местоопределения радионавигационных систем дальнего действия, имеющая существенное значение для развития отечественных систем и средств радионавигации.

Работы, опубликованные по теме диссертации:

1.Царев В.М., Писарев С.Б. и др. Передача информации оповещения о чрезвычайных ситуациях с использованием радионавигационных систем сверхдлинноволнового и длинноволнового диапазонов (статья). Москва, журнал «Наукоемкие технологии» №2, 2000г. (9 стр.).

2. Царев В.М., Жолнеров B.C. и др. Уязвимость спутниковых систем при воздействии непреднамеренных и преднамеренных помех и перспективы повышения надежности координатно-временного обеспечения (статья). Москва, журнал «Новости навигации» №1,2004г. (15 стр.).

3. Царев В.М., Жолнеров B.C., Соловьев Ю.А. и др. Проблемы разработки новой редакции Российского навигационного Плана (статья). Москва, журнал «Новости навигации» №1,2004г. (4 стр.)

4. Царев В.М., Донченко С.И. и др. Комплекс средств измерений для испытаний аппаратуры потребителей космических навигационных систем ГЛОНАСС и GPS (статья). Москва, журнал «Новости навигации» №2,2004г. (4 стр.)

5. Царев В.М., Федотов В.Н. Оценка зависимости погрешностей решения навигационно-временной задачи аппаратурой потребителей спутниковых систем от точности прогноза положения навигационного космического аппарата на орбите при использовании имитатора сигналов (статья). Москва, журнал «Новости навигации» №3,2004г. (8 стр.)

6. Царев В.М., Соловьев Ю.А. Использование ИФРНС для реализации дифференциального режима спутниковой навигации (статья). Москва, журнал «Новости навигации» №2, Москва, 2004г. (8 стр.)

7. Царев В.М., Жолнеров B.C., Балов A.B. и др. Радионавигационные системы дальнего действия с наземным и космическим базированием как глобальная система мониторинга краткосрочных предвестников землетрясений (статья). Москва, журнал «Новости навигации» №3 .Москва, 2004г.

8. Научно-технический отчет по НИР «Пролог», СПБ, АОЗТ фирма «Котлин», 1996 г.

9. Научно-технический отчет по ОКР «ГЛОСМОРП». СПБ, РИРВ, 1995г.

10. Научно-технический отчет по ОКР «Метрика - KB О». Москва, ЦУП - М ЦНИИМАШ, 2002г.

11. Царев В.М.Доклад на международной научно - методической и научно -исследовательской конференции «МАДИ (ГТУ) - 75 лет», Москва 2005г.

12. Царев В.М. Международные транспортные магистрали и вопросы экологии. Доклад на Международной конференции Международной академии информатизации «Экологическая безопасность жизнедеятельности человека в 21 веке - проблемы и решения», Москва 2005г.

13. Царев В.М., Копелович В.А., Харин Е.Г. и Якушев А.Ф. Методы и средства летных испытаний летательных аппаратов и их оборудования (статья). Журнал «Новости навигации» №1, Москва, 2005г. (6 стр.)

14. Царев В. М., Соловьев Ю. А., Жолнеров В. С. «Проблема разработки новой редакции Российского радионавигационного плана». Стендовый доклад на конференции «Фундаментальное и прикладное координатно-временное обеспечение (КВО-2005)». СПБ, ИПА РАН.

p13 2 7 2

РНБ Русский фонд

2006-4 8515

Введение.

1. Анализ состояния существующего парка систем дальней навигации и их систем контроля.

1.1 Импульсно-фазовая радионавигационная система «Чайка».

1.2 Спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС.

1.3.Общая характеристика зарубежных систем дальней радионавигации.

1.4 Уточнение требований по точности навигационных определений РСДН.

1.5 Основные направления развития и совершенствования радионавигационных систем дальней навигации.

Актуальность темы. Отечественный и зарубежный опыт эксплуатации импульсно-фазовых радионавигационных систем (ИФРНС) дальнего действия наземного базирования - «Чайка» и «Loran-С» и спутниковых радионавигационных систем (СНС) - ГЛОНАСС и GPS показывает, что ни одна из них в отдельности не способна удовлетворить современные требования потребителей по точности, доступности, целостности и непрерывности навигационного обеспечения.

Анализ и оценка действий правительственных структур различных государств в области радионавигации, подтверждает вывод о том, что международное сообщество в ближайшем будущем не признает космические навигационные системы в качестве единственного средства навигации. Объявленные в конце 90-х годов стратегические цели администрации США -удовлетворить требования всех потребителей навигационно-временного обеспечения только с помощью системы GPS и до 2010 года вывести из эксплуатации все наземные радионавигационные системы, оказались невыполнимыми.

В настоящее время общепризнанно, что для выполнения требований потребителей по доступности, точности, целостности и непрерывности обслуживания, СНС нуждаются в дополнениях.

Проведенные в России й за рубежом исследования показывают, что импульсно-фазовые и фазовые РНС при проведении относительно недорогой модернизации аппаратуры опорных станций могут стать наиболее эффективными дополнениями КНС.

Важными преимуществами РНС «Чайка» (Россия) и «Loran-С» (США) являются:

- высокая помехоустойчивость за счет большой энергетики сигналов;

- надежное определение местоположения в городских условиях и лесистой местности вследствие существенно более низких, чем в КНС, рабочих частот (100 кГц - ИФРНС);

- возможность передачи оперативной информации (дифференциальных поправок и информации о целостности КНС, команд управления, штормовых предупреждений и других важных сообщений) без значимого ущерба для навигации и на значительные расстояния (до 1000 км от опорных станций (ОС) - в ИФРНС);

- автономность управления (на уровне одного государства);

- сравнительно низкие эксплуатационные расходы.

Дополнительными достоинствами ИФРНС являются:

- развитая инфраструктура систем данного класса - в настоящее время в мире функционирует 78 стационарных опорных станций ИФРНС в США и Канаде - 29 станций, в Европе - 8 станций, на побережье Средиземного моря - 4 станции, в Саудовской Аравии - 5 станций, в Индии - 6 станций, в Японии - 4 станции, в Корее - 2 станции, в Китае - 6 станций), на территории РФ и СНГ - 14 станций, кроме этого на территории РФ развернуты и функционируют более 20 мобильных опорных станций ИФРНС, объединенные в 7 цепей;

- возможность расширения рабочих зон действующих систем без дополнительного строительства новых станций за счет объединения действующих цепей, в том числе за счет создания международных цепей ИФРНС «Чайка /Loran-С»;

- привлекательность для бизнеса вследствие активного внедрения новых технологий в разрабатываемую передающую и приемную аппаратуру;

- возможность приема сигналов систем под водой и подо льдом на глубинах до 15 метров.

С появлением технологий, позволяющих опорным станциям ИФРНС передавать информацию за счет модуляции параметров собственных радионавигационных сигналов, широкое развитие получила концепция интегрированной радионавигационной системы (ИРНС), в основе которой лежит интеграция радионавигационных полей наземных и космических РНС.

В соответствии с этой концепцией все составные части ИРНС (навигационные космические аппараты (НКА) и другие компоненты КНС, опорные станции наземных РНС, контрольно-корректирующие станции (ККС), пункты мониторинга полей РНС и аппаратура потребителей) должны функционировать в единой системе координат и единой временной шкале. Опорные станции наземных РНС, помимо выполнения своих основных функций, должны вырабатывать и сообщать по радиоканалам корректирующие дифференциальные поправки и сообщения о целостности КНС.

Из изложенного выше можно сделать вывод об актуальности проведения исследований по теме диссертации, направленных на повышение эффективности средств дальней навигации посредством совершенствования способов совместной комплексной обработки навигационной информации на опорных станциях и в аппаратуре потребителей (АП).

Цель и задачи исследований. Целью работы является разработка методов и средств повышения эффективности радионавигационных систем дальней навигации (РСДН) за счет улучшения их точностных характеристик в условиях совместной обработки сигналов наземных систем и систем космического базирования. Для достижения поставленной цели необходимо было решение следующих задач:

1. Анализ существующих РСДН и уточнение предъявляемых к ним требований.

2. Формулирование основных направлений развития и совершенствования систем навигационно-временного обеспечения (НЕЮ) потребителей.

3. Разработка методики оценки эффективности функционирования РСДН в дифференциальном режиме.

4. Выработка предложений по комплексной обработке информации РСДН и спутниковой радионавигационной системы (СНС).

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 РСДН и разработаны средства, обеспечивающие это сокращение.

В диссертации получены следующие основные результаты:

1. Проведен анализ современного состояния парка отечественных радионавигационных систем дальнего действия, включая глобальные среднеорбитные системы космического базирования, в результате которого сформулирован вывод об их доминирующей роли в навигационном обеспечении.

2. На основе проведенного анализа сделано заключение о невозможности удовлетворения современным требованиям потребителей по точности и надежности навигационного обеспечения при раздельном использовании этих систем.

3. Сформулирован вывод о необходимости одновременного, наряду с совершенствованием наземного сегмента интегрированной радионавигационной системы, создания бортовой комплексированной аппаратуры потребителей, обеспечивающей совместную обработку информации всех навигационных средств объекта.

4. В результате исследований источников возникновения погрешностей случайного и систематического характера определены пути их сокращения за счет применения перспективных способов интеграции систем космического и наземного базирования.

5. Разработана статистическая модель дифференциальных поправок РСДН, учитывающая случайный характер проводимости земной поверхности по трассам распространения радиоволн, позволяющая сформировать оптимальные дифференциальные поправки по всей зоне действия дифференциальной подсистемы РСДН.

6. Разработана методика оценки эффективности РСДН в дифференциальном режиме.

7. Разработаны частные методики оценки средних квадратических погрешностей (СКП) навигационных определений.

8. Обоснована эффективность применения комплексной первичной обработки сигналов импульсно-фазовых систем наземного базирования и спутниковых систем в авиационной аппаратуре потребителей с использованием информации от инерциальной системы объекта.

10. Сформулированы критерии количественной оценки эффективности внедрения новых перспективных режимов РСДН.

11. Разработана методика оценки эффективности радионавигационной системы дальней навигации в дифференциальном режиме.

12. Предложен перспективный способ достижения высокой точности навигационного поля РСДН в локальной области путем охвата цепочки ОС кольцом обратной связи, в котором роль датчиков информации о качестве навигационного поля выполняют контрольные пункты (КП), а управляющего элемента — пункт управления системой (ПУС).

13. Разработан квази-оптимальный алгоритм комплексной первичной обработки сигналов спутниковых и импульсно-фазовых РСДН.

На защиту выносятся:

1 .Статистическая модель декорреляции дифференциальных поправок в РСДН.

2.Методика оценки эффективности РСДН в дифференциальном режиме.

3.Частная методика оценки СКП, обусловленной воздействием помех в канале передачи дифференциальных поправок.

4.Квази-оптимальный алгоритм комплексной первичной обработки информации в авиационной аппаратуре потребителей.

Практическая значимость работы состоит в том, что полученные в ней результаты позволяют провести предварительную оценку погрешностей навигационных определений по сигналам РСДН и повысить точность абсолютного местоопределения подвижных объектов за счет применения дифференциального режимов РСДН, совместного применения РСДН наземного и космического базирования и комплексной обработки информации в бортовой аппаратуре потребителей.

Внедрение результатов. Результаты диссертационной работы внедрены в ОАО «Российский институт радионавигации и времени» (г. С-Петербург, Российская Федерация), в Центре дальней радионавигации (авиации ВС) и в ГОУ Московская академия рынка труда и информационных технологий, что подтверждено соответствующими актами.

Апробация результатов. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на международной научно - методической и научно -исследовательской конференции «МАДИ (ГТУ) - 75 лет», на Международной конференции Международной академии информатизации «Экологическая безопасность жизнедеятельности человека в 21 веке - проблемы и решения» и на конференции «Фундаментальное и прикладное координатно-временное обеспечение (КВО-2005)».

Публикация результатов. По теме исследований опубликовано 14 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованных источников, она изложена на 125 листах основного текста. Работа иллюстрирована 9 таблицами и 21 рисунком. Список литературы содержит 53 источника.

5.5 Основные результаты и выводы

В главе 5 получены следующие основные результаты:

1. Эспериментальным путем определены погрешности измерений вектора навигационных параметров JIA (пространственных координат и их производных) по сигналам СНС и РСДН в стандартном и дифференциальном режимах.

2. Эспериментальным путем определены погрешности определения вектора навигационных параметров JIA при комплексной обработке информации от приемника СНС и от ИНС.

3. Эспериментальным путем определены погрешности определения вектора навигационных параметров JIA при комплексной обработке информации от приемника РСДН и от ИНС.

4. Обоснован выбор критериев оценки эффективности применения диференциальных режимов независимой работы СНС и РСДН и их совместного комплексирования автономным навигационным средством JLA -инециальной системой.

5. Произведены расчеты эффективности применения КОИ на борту ЛА в составе приемника СНС и ИС в стандартном и дифференциальном режимах СНС.

6. Произведены расчеты эффективности применения дифференциального режима РСДН.

Результаты, полученные в главе 5, позволяют сделать следующие выводы:

1. Экспериментально подтверждена высокая эффективность применения предлагаемых способов совершенствования режимов радионавигационных средств дальней навигации (СНС и РСДН), выразившееся в сокращении погрешностей определения текущего вектора навигационных параметров (пространственных координат и их производных), в частности, за счет применения:

- дифференциального режима СНС погрешности определения абсолютных пространственных координат ДА сокращены в 10-12 раз; дифференциального режима РСДН погрешности определения абсолютных плановых координат JIA сокращены в 6-7 раз.

2.Экпериментально подтверждена эффективность применения комплексной обработки информациий от автономной \навигационнй аппаратуры (инерциальной системы) и ее корректоров — приемников СНС, работающих как в стандатном, так и дифференциалшных режимах; так в стандартном режиме СНС погрешность определения плановых координат JIA сократилась на 22% при увеличении погрешности по высоте на 3% а погрешность определения составляющих вектора скорости сократилась на (28-73)%.

3. Эспериментально подтверждена высокая эффективность применения КОИ при пропадании сигналов СНС вследствии ее затенения элементами JIA при эволюциях или други причин, поскольку полученные значения Мэ не превосходят 0,10 м/с на интервалах отсутствия сигналов порядка бОсек, что говорит о сравнительно малом росте погрешности КОИ ( менее удвоенной СКП определения скорости в нормальном режиме) в определении составляющих вектора скорости в режиме «прогноза».

Заключение

Диссертация содержит новое решение актуальной научной задачи повышения эффективности РСДН посредством сокращения погрешности определения текущих навигационных параметров широкого класса подвижных объектов.

В процессе проведенных научных и экспериментальных исследований получены следующие результаты:

1. Проведен анализ современного состояния парка отечественных радионавигационных систем дальнего действия, включая глобальные среднеорбитные системы космического базирования.

2. По результатам анализа сделано заключение о невозможности удовлетворения современным требованиям потребителей по точности и надежности навигационного обеспечения при раздельном использовании этих систем.

3. Сформулирован вывод о необходимости комплексирования радионавигационных систем, наземного и космического базирования.

4. Разработана статистическая модель декорреляции ДП РСДН, учитывающая случайный характер проводимости земной поверхности по трассам распространения радиоволн.

5. Разработана методика оценки эффективности РСДН в дифференциальном режиме.

6. Разработаны частные методики оценки СКП навигационных определений, обусловленных воздействием помех в канале передачи дифференциальных поправок; нескомпенсированной погрешностью распространения радиосигналов и погрешностями измерений РНП на летательном аппарате.

7. Обоснована эффективность применения комплексной первичной обработки сигналов импульсно-фазовых систем наземного базирования и спутниковых систем в авиационной аппаратуре потребителей с использованием информации от инерциальной системы объекта.

8. Сформулированы критерии количественной оценки эффективности применения предложенных режимов РСДН.

9. Разработана методика оценки эффективности радионавигационной системы дальней навигации в дифференциальном режиме.

10. Предложен перспективный способ достижения высокой точности навигационного поля РСДН в локальной области путем охвата цепочки ОС кольцом обратной связи, в котором роль датчиков информации о качестве навигационного поля выполняют КП, а управляющего элемента — ПУС.

11. Разработан квази-оптимальный алгоритм комплексной первичной обработки сигналов спутниковых и импульсно-фазовых РСДН и информации от инерциальной системы объекта.

12. Подтверждена теоретическими и экспериментальными исследованиями высокая эффективность использования предложенных способов совершенствования радионавигационных средств.

13. В дифференциальном режиме СНС погрешности определения абсолютных пространственных координат JIA сокращены в 10-12 раз.

14. В дифференциальном режиме РСДН погрешности определения абсолютных плановых координат ЛА сокращены в 6-7 раз.

15. В результате применения комплексной обработки информации от автономной навигационной аппаратуры и ее корректоров -приемников СНС погрешность определения плановых координат ЛА (в стандартном режиме приемника СНС) сократилась на 22% при увеличении погрешности по высоте на 3% а погрешность определения составляющих вектора скорости сократилась на (28-73)%.

16. Высокая эффективность применения КОИ при пропадании сигналов СНС JIA подтверждается тем, что экспериментально полученные значения коэффициента эффективности Мэ не превосходят 0,10 м/с, что свидетельствует о сравнительно малом росте погрешности в определении составляющих вектора скорости КОИ в режиме «прогноза» на интервалах отсутствия сигналов порядка бОсек.

17. Результаты диссертационной работы внедрены в ОАО «Российский институт радионавигации и времени» (г. С-Петербург, Российская Федерация), в Центре дальней радионавигации (авиации ВС) и в ГОУ Московская академия рынка труда и информационных технологий, что подтверждено соответствующими актами.

На основании полученных результатов решена научная задача по повышению эффективности систем и средств координатно-временного обеспечения, точности и надежности местоопределения радионавигационных систем дальнего действия, имеющая существенное значение для развития отечественных систем и средств радионавигации.

1. Корнуков A.M. Контртеррористическая операция на Северном Кавказе: основные уроки и выводы. Военная мысль, №4, 2000г.

2. Радиотехнические системы дальней навигации. Под ред. Резниченко JT.B. М., Воениздат, 1975г.

3. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ. Москва, 1995.

4. Bartenev V.A., Cheremisin V.F., et al. Russia's Global Navigation Satellite System. ANSER, 1995.

5. Ivanov N., Salischev V., Vinogradov A. Ways of GLONASS System

6. Современное состояние и тенденции развития зарубежных средств и систем навигации подвижных объектов военного и гражданского назначения. ГУНиО, СПб, 1994.

7. В.Е. Соколов, Б.Н. Балясников, С.Б. Писарев. Концепция развития и дальнейшего совершенствования местоопределения с помощью импульсно-фазовой радионавигационной системы "Чайка". Радионавигация и время, N 1,2, 1995.

8. В.Е. Соколов и др. Современная унифицированная модульная радионавигационная станция "Чайка-УМ". Радионавигация и время, N 3, 1995.

9. В.Е. Соколов и др. Основные положения концепции глобальной системы мониторинга радионавигационных полей (часть 1). Радионавигация и время, N 3, 1995.

10. Соглашение между Правительством России и Правительством Норвегии по созданию объединенной радионавигационной службы в Баренцевом море с использованием станций "Чайка" и "Лоран-С" от 08.03.95г.

11. W.J.Thrall, D.H.Alsip, A.N.Mason. The Need for an international Coordinator for the Loran-С System. XHI-th conf.of the IALA, 1994r., Honolulu, Hawaii.

12. S.G.R. Ruttle. Ireland Chooses Loran-C. XHI-th conf. of the IALA, 1994r., Honolulu, Hawaii.

13. Рождественский А. В., Цесельский И.О., Креславский А. С. Принципы построения системы передачи служебной дискретной информации по радиоканалам ИФРНС "Чайка". ВРЭ серия ОВР. Вып.4, 1991.

14. Рождественский А. В. Оценка помехоустойчивости системы передачи служебной информации по радиоканалам ИФРНС "Чайка" при работе наземных станций в совмещенном режиме. ВРЭ, серия ОВР, 1991.

15. Коржик В.И., Финк JI.M., Щелкунов К.К. Расчет помехоустойчиости систем передачи дискретных сообщений. Справочник, Москва, Радио и связь, 1981.

16. Коржик В.И., Наумов А.С., Лесман M.JI. Разработка системы передачи дискретной информации для импульсно-фазовых радионавигационных систем. Рабочие материалы по первому и второму этапу НИР №136-90-012., СПГТУ им. проф. Бонч-Бруевича, СПБ 1993.

17. Николаев В.И., Брук В.М. Системотехника: методы и приложение. Л., Машиностроение, 1985г.

18. Макаров Г.И., Новиков В.В., Рыбачек С.Т. Распространение электромагнитных волн над земной поверхностью. М.: Наука, 1991 г.

19. Бабайкин Б.Ф., Фельдман В.М. и др. ВСРЭ, РИТ, вып. 2, 1978г.

20. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. М., Радио и связь, 1982г.

21. Альперт Я.А., Гинзбург В.А., Фейнберг Е.Л. Распространение радиоволн. М., Госиздат, технико-теоретической литературы, 1953г.

22. Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов. М., Радио и связь, 1983г.

23. Тихонов В.И., Миронов М.А.,Марковские процессы. М.,Сов.радио, 1977г.

24. Тихонов В.И., Кульман Н.К. Нелинейная фильтрация и квазикогерентный прием сигналов. М., Сов радио, 1975 г.

25. Шебшаевич B.C. Использование спутниковой РНС "Navstar" длясинхронизации шкал времени. М., "Зарубежная радиоэлектроника", № 11, 1985г.

26. Боровиц JI.A. Навигационная система "Loran-C" с непосредственным измерением расстояния. М., "Зарубежная радиоэлектроника", № 3, 1971 г.

27. Балясников Б.Н. Синхронизация шкал времени системы "Loran-C" и "Navstar" этап создания единой системы координатно-временного обеспечения. М., "Зарубежная радиоэлектроника", № 8, 1991г.

28. Кудрявцев И.В. и др. Бортовые устройства спутниковой радионавигации. М., Транспорт, 1968 г.

29. Палий А.И. Радиоэлектронная борьба. М., Военное издательство, 1989г.

30. Пестряков В.В. Шумоподобные сигналы в системах передачи информации. М., Сов. радио, 1973г.

31. Ярлыков М.С. Статистическая теория радионавигации. М., Радио и связь, 1983г.

32. Сосновский А.А. Авиационная радиолокация. М., Транспорт, 1990г.

33. Волошин С.В. Радионавигационные системы СДВ диапазона. М., Радио и связь, 1983г.

34. Ярлыков М.С. Применение марковской теории нелинейной фильтрации в радиотехнике. М., Сов. радио, 1980г.

35. Стратонович P.J1. Условные марковские процессы и их применение к теории оптимального управления. М., МГУ, 1966г.

36. Стратонович P.JI. Теория вероятности и ее применение, т. 5, № 2, 1960г.

37. Тихонов В.И., Харисов В.Н. Оптимальная фильтрация дискретно-непрерывных процессов. "Радиотехника и электроника", 1978г.

38. Вальд А. Последовательный анализ. Физматгиз.М., 1960г.

39. Царев В.М., Писарев С.Б. и др. Передача информации оповещения о чрезвычайных ситуациях с использованием радионавигационных систем сверхдлинноволнового и длинноволнового диапазонов (статья). Москва, журнал «Наукоемкие технологии №2, 2000г.

40. Царев В.М., Жолнеров B.C. и др. Уязвимость спутниковых систем при воздействии непреднамеренных и преднамеренных помех и перспективы повышения надежности координатно-временного обеспечения. Москва, журнал «Новости навигации» №1, Москва, 2004г.

41. Царев В.М., Жолнеров B.C., Соловьев Ю.А. и др. Проблемы разработки новой редакции Российского навигационного Плана (статья). Москва, журнал «Новости навигации» №1, Москва, 2004г.

42. Царев В.М., Донченко С.И. и др. Комплекс средств измерений для испытаний аппаратуры потребителей космических навигационных систем ГЛОНАСС и GPS (статья). Москва, журнал «Новости навигации» №2, 2004г.

43. Царев В.М., Соловьев Ю.А. Использование ИФРНС для реализации дифференциального режима спутниковой навигации (статья). Москва, журнал «Новости навигации» №2, Москва, 2004г.

44. Царев В.М., Копелович В.А., Харин Е.Г. и Якушев А.Ф. Методы и средства летных испытаний летательных аппаратов и их оборудования (статья). Журнал «Новости навигации» №1, Москва, 2005г.

45. Научно-технический отчет по ОКР «Метрика КВО». Москва, ЦУП-М ЦНИИмаш, 2002г.

46. Царев В.М.Доклад на международной научно методической и научно-исследовательской конференции «МАДИ (ГТУ) - 75 лет», Москва 2005г.

47. Царев В.М. Международные транспортные магистрали и вопросы экологии. Доклад на Международной конференции Международной академии информатизации «Экологическая безопасность жизнедеятельности человека в 21 веке проблемы и решения», Москва 2005г.

48. Царев В. М., Соловьев Ю. А., Жолнеров В. С. «Проблема разработки новой редакции Российского радионавигационного плана» Стендовый доклад на конференции «Фундаментальное и прикладное координатно-временное обеспечение (КВО-2005)». СПБ, ИПА РАН.

49. Рождественский А. В., Цесельский И.О., Креславский А. С. Принципы построения системы передачи служебной дискретной информации по радиоканалам ИФРНС "Чайка". ВРЭ серия ОВР. Вып.4, 1991.

50. Чуев Ю.В., Мельников П.М. и др. "Основы исследования операций в военной технике". М.,«Сов. радио», 1965г.

51. Акоф Р., Сасненн М. Основы исследования операций. Пер. с англ. М., «Мир», 1971г.