автореферат диссертации по транспорту, 05.22.13, диссертация на тему:Расширение функциональных возможностей спутниковых радионавигационных систем путем совершенствования методов навигационных определений и обработки информации

Введение.

1. Анализ факторов, влияющих на точностные и динамические характеристики приемоиндикаторов СРНС.

1.1. Требования, предъявляемые к навигационному обеспечению

ВС, при решении различных навигационных задач.

1.2. Характеристики внешних воздействий, влияющих на качество функционирования приемоиндикаторов СРНС.

Актуальность работы. Спутниковые радионавигационные системы (СРНС) типа ГЛОНАСС (РФ) и GPS (США) благодаря возможности обеспечения повышенной точности определения местоположения воздушного судна (ВС) [1, 2], на порядок превышающей точности, реализуемые в РНС с наземным базированием опорных станций [3], а также благодаря возможности расширения вектора навигационных определений путем включения в него помимо координат и сдвига бортовой шкалы времени (БШВ) относительно системного времени (х, у, z, At) скоростей изменения этих навигационных параметров (НП) (х,у,z,Ät), позволяют, в принципе, решать практически все навигационные задачи (НЗ), возникающие при эксплуатации ВС гражданской авиации (ГА).

Тем не менее существует несколько классов НЗ, для решения которых традиционно используются узкоспециализированные системы. К ним, в первую очередь, относятся задачи захода на посадку и посадки ВС, задачи ближней навигации, управления воздушным движением (УВД) и др. Эти задачи в ряде случаев, в частности при посадке по III категории ИКАО, требуют не только повышенной точности определения места, но и определения углового положения ВС в пространстве.

Между тем, большая часть проблем навигации ВС и УВД может быть решена комплексно при использовании СРНС, в чем собственно и состоит переход на спутниковую технологию.

Расширение функций СРНС, разрабатываемых первоначально, применительно к авиации, для обеспечения трассовой навигации, вызвало к жизни появление дифференциальных подсистем, включающих в себя помимо навигационного оборудования аппаратуру связи для передачи корректирующей информации. К ним относятся, в частности, широкозонные дифференциальные подсистемы (ШДПС) типа подсистемы WAAS [4-6], предназначенные для обеспечения требований по уровням целостности, доступности и точности, предъявляемых к основным системам на всех этапах полета ВС, вплоть до захода на посадку по I категории ИКАО; региональные дифференциальные подсистемы (РДПС) типа подсистем Starfix [7], предназначенные для навигационного обеспечения отдельных регионов, и локальные дифференциальные подсистемы (ЛДПС) типа подсистем Д920/Д930 [8] с максимальной дальностью действия 50 - 200 км, предназначенные для обеспечения захода на посадку и посадки ВС по категориям ИКАО.

В настоящей работе рассматриваются вопросы расширения функциональных возможностей СРНС, в частности обеспечения решения задач ка-тегорированной посадки ВС. При решении этих задач, в первую очередь, необходим анализ факторов, влияющих на точность местоопределения при малых высотах полета ВС, поскольку в литературе, как правило, приводятся лишь экспериментальные данные, имеющие фрагментарный характер. Кроме того, необходим сравнительный анализ, по точности и сложности реализации методов навигационных определений (НО), перспективных с точки зрения применимости их для решения задач категорированной посадки. При этом особый интерес представляет рассмотрение и совершенствование относительных НО, которые помимо высоких точностных характеристик обладают тем преимуществом перед обычными дифференциальными НО, что не требуют геодезической привязки контрольной станции (КС) и следовательно применимы для обеспечения посадки ВС на необорудованные площадки и палубу корабля.

Помимо решения НЗ, связанных с грузо-пассажирскими перевозками, осуществляемыми ВС ГА, использование СРНС открывает широкие перспективы в проведении с применением авиации специальных работ, связанных с необходимостью высокоточного местоопределения подвижных объектов. Сюда относятся, в частности, задачи поиска и спасения, пожаротушения, ледовой разведки, топогеодезии и др.

Заметим, что требования по точности местоопределения ВС при решении указанных НЗ примерно такие же, как и при решении задачи категорированной посадки ВС. Объединяет эти НЗ и то, что при проведении указанных специальных работ использование дифференциальных навигационных определений для повышения точности местоопределения должно производиться, как правило, в отсутствие точной геодезической привязки ВС, то есть с применением относительных навигационных определений, которые могут рассматриваться как разновидность дифференциальных [2].

При этом относительные навигационные определения в определенном смысле представляют собой более общий случай, нежели дифференциальные, поскольку при известных координатах КС они переходят в последние.

С учетом изложенного актуальность поиска путей совершенствования относительных НО, о которой шла речь выше в связи с проблемой навигационного обеспечения с использованием СРНС посадки ВС, представляющего собой наиболее ответственный этап полета, еще больше возрастает.

Среди специальных работ, выполняемых с применением авиации, особое место занимают топогеодезические работы. Это связано, с одной стороны, с повышенными требованиями по точности местоопределения ВС, а с другой стороны, с тем, что при их проведении не предъявляется высоких требований к динамике движения ВС и, кроме того, длительность навигационных определений может быть достаточно большой, что позволяет осуществлять накопление данных для ввода поправок на большом интервале времени и, соответственно, повысить их достоверность. Представляет также интерес проанализировать возможность повышения точности местоопределения ВС путем совершенствования алгоритмов обработки сигналов СРНС, в частности оптимизации ее к работе в условиях интенсивных отражений от Земли и использования когерентных принципов обработки.

Поскольку значительная часть специальных работ производится с использованием вертолетов, целесообразно оценить влияние несущего винта вертолета на точность местоопределения и достоверность передачи корректирующей информации на малых высотах. Этот круг вопросов и рассматривается в диссертационной работе.

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

Цель и задачи исследований. Целью работы является повышение точности местоопределения воздушных судов по СРНС при решении задач посадки и проведении специальных работ, связанных с необходимостью высокоточного определения координат, путем совершенствования методов навигационных определений и обработки информации.

Для достижения поставленной цели необходимо было решение следующих задач:

Основные результаты, полученные в 3-й главе, состоят в'следующем:

1. Разработан квазиоптимальный алгоритм обработки сигналов СРНС в условиях многолучевого приема при полетах воздушных судов на малых высотах и дана оценка его эффективности.

2. Проведен сравнительный анализ точностных характеристик прие-моиндикатора СРНС при использовании некогерентного и когерентного алгоритмов обработки сигналов.

На основании результатов, полученных в 3-й главе, можно сделать следующие выводы:

1. Оптимизация приемника СРНС к работе в условиях многолучевого распространения радиоволн, имеющего место при полетах ВС на малых всотах, в сочетании с использованием разностно-дальномерного способа относительных навигационных определений позволяет снизить погрешность местоопределения ВС до величины, достаточной для обеспечения категорированной посадки ВС и калибровки микроволновых систем посадки.

2. Замена некогерентного алгоритма обработки сигналов СРНС на когерентный позволяет на 30 - 50% повысить точность измерения радионавигационных параметров.

Научные результаты, полученные в 3-й главе, изложены в работах автора [35, 37,42, 45].

Заключение

Диссертация содержит новое решение актуальной научной задачи расширения функциональных возможностей спутниковых радионавигационных систем (СРНС) путем совершенствования методов навигационных определений и обработки информации, имеющей существенное значение для теории и практики навигации воздушных судов (ВС).

В результате проведенных исследований получены следующие основные научные результаты:

1. Разработаны математические модели влияния на точностные и динамические характеристики приемоиндикаторов СРНС основных мешающих воздействий, включая отражения от подстилающей поверхности, и зависимости интенсивности этих воздействий от параметров движения ВС (высоты полета и угла крена) и геометрической конфигурации рабочего созвездия космических аппаратов.

2. Проведен сравнительный анализ точностных характеристик различных методов навигационных определений с использованием СРНС с точки зрения применимости их для целей категорированной посадки и предложен разностно-дальномерный способ относительных навигационных определений, позволяющий минимизировать ошибки местоопределе-ния ВС, обусловленные сильно коррелированными их составляющими.

3. Проведен сравнительный анализ точностных и динамических характеристик автодифференциального и усовершенствованного относительного (разностно-дальномерного) методов навигационных определений в СРНС.

4. Предложен способ оптимизации рабочего созвездия космических аппаратов, позволяющий учитывать неравноточность измерений радионавигационных параметров в СРНС и дана оценка его эффективности.

5. Разработан алгоритм селекции прямого сигнала СРНС в условиях многолучевого распространения радиоволн, обусловленного отражениями сигнала от подстилающей поверхности при полетах ВС на малых высотах.

6. Дана оценка эффективности когерентного алгоритма обработки сигналов СРНС, учитывающего погрешность слежения за фазой несущей.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. При полетах ВС на малых высотах, что имеет место при заходе на посадку и проведении специальных работ, существенно ухудшается точность местоопределения ВС по СРНС за счет влияния отражений сигналов от подстилающей поверхности (в 4 - 5 раз по среднеквадратической погрешности и в 1,5 раза по смещению оценки при высотах полета менее 100 м).

2. Влияние отражений сигналов СРНС от подстилающей поверхности на точностные и динамические характеристики приемоиндикатора существенно зависит от параметров движения ВС и конфигурации рабочего созвездия космических аппаратов. Так, при допустимом угле крена ВС 10° и угле места космического аппарата 25° влияние подстилающей поверхности проявляется при высотах полета менее 700 м, а при угле места космического аппарата 45° - при высотах менее 100 м. Для космических аппаратов с углами места менее 10° увеличение крена ВС в их сторону с 0° до 30° приводит к уменьшению времени поиска в 2 - 4 раза.

3. Учет неравноточности измерений при выборе оптимального рабочего созвездия космических аппаратов позволяет повысить точность ме-стоопределения ВС по СРНС, однако при этом существенно возрастают требования к производительности бортового вычислителя. Более целесообразен квазиоптимальный алгоритм выбора рабочего созвездия, основанный на ограничении минимально допустимого угла места космических аппаратов на уровне 10-15°, позволяющий повысить точность местоопреде-ления ВС на 20-25%.

4. Точность местоопределения ВС по СРНС может быть существенно повышена путем компенсации основных системных погрешностей с использованием дифференциального или относительного методов навигационных определений и комплексирования приемоиндикатора СРНС с радиовысотомером малых высот. При этом использование разностно-дальномерного способа относительных навигационных определений за счет одномоментных измерений псевдодальностей до одних и тех же космических аппаратов обеспечивает наилучшую компенсацию системных погрешностей и, кроме того, повышает надежность разрешения многозначности при использовании наиболее высокоточных навигационных определений по фазе несущей, позволяющих к тому же определять угловое положение ВС, что необходимо для обеспечения посадки ВС по III категории ИКАО.

5. Автодифференциальный метод навигационных определений по СРНС, не требующий для своей реализации канала передачи корректирующей информации и потому применимый при имеющих место нарушениях связи в высоких широтах, позволяет реализовать точность определения координат ВС не хуже точности, реализуемой разностно-дальномерным методом относительных навигационных определений с ретранслятором радионавигационного поля, однако может быть использован лишь при выполнении специальных работ типа топогеодезических, не накладывающих жестких временных ограничений на продолжительность сеанса местоопределения.

6. Эффективным средством уменьшения влияния на точностные характеристики приемоиндикатора СРНС отражений сигнала от подстилающей поверхности, имеющих место при полетах ВС на малых высотах, является оптимизация приемника к работе в условиях многолучевого распространения радиоволн, позволяющая, в принципе, в сочетании с использованием разностно-дальномерного способа относительных навигационных определений реализовать точность местоопределения, достаточную для обеспечения категорированной посадки ВС и калибровки микроволновых систем посадки. При этом однако существенно усложняется приемник. Дополнительным средством повышения точности местоопределения является переход от некогерентной и когерентной обработке сигнала, позволяющий повысить точность на 30 - 50%.

1. ЫНебшаевич B.C., Дмитриев П.П., Иванцевич Н.В. и др. Сетевые спутниковые радионавигационные системы. М.: Радио и связь, 1993.

2. Соловьев Ю.А. Системы спутниковой навигации. М.: Радио и связь, ИТЦ «Эко-Трендз», 2000.

3. Кинкулькин И.Е., Рубцов В.Д., Фабрик М.А. Фазовый метод определения координат. М.: Советское радио, 1979.

4. Loh R., Nii Aileen S. Wide Area Augmentation System (WAAS). Design for Growh in both National and International Environments, DSNS-96, St. Petersburg, May 1996.

5. Hahsen A. The NSTB: A Stepping Stone to WAAS, GPS World, June 1998.

6. Specification Wide Area Augmentation System (WAAS), U.S.Departament of Transport, Federal Aviation Administration, FAA-E-2892 B, March 10,1997. .

7. Orpen Ole. Recent Developments in the Fugro Starfix DGPS Service, Proc. of DSNSS-96, vol. 1, St.Petersburg, May 1996, Paper № 33.

8. Blomenhofer H., Mattissek A. The New DASA-NFS Ground Station Family for Use in Civil Aviation, Proc. of DSNS-96, Add, vol. 1, St. Petersburg, May 1996, Paper № 17.

9. Российский радионавигационный план. НТЦ «Интернавигация», версия 1. М., 1994.

10. Российский радионавигационный план. НТЦ «Интернавигация», версия 2. М., 1997.

11. Добавление «В» к Проекту руководства по требуемым навигационным характеристикам для выполнения заходов на посадку, посадок и вылетов. Материалы AWOP/16 ДР/3, Монреаль, 23.06.97 - 11.07.97.

12. Волынин А.И. и др. Аппаратура потребителей СРНС «Навстар». Зарубежная электроника, 1983, № 4.

13. Бортовые устройства спутниковой радионавигации. Под ред. Шебшаевича B.C. М.: Транспорт, 1988.

14. Зубкович С.Г. Статистические характеристики радиосигналов, отраженных от земной поверхности. М.: Советское радио, 1968.

15. Романов Л.М., Шведов А.К. Испытания спутниковой радионавигационной системы NAYSTAR. Зарубежная радиоэлектроника, 1987, №11.

16. Энергетические характеристики космических радиолиний. Под ред. О.А.Зенковича. М.: Советское радио, 1972.

17. Болдин В.А. Современные глобальные навигационные системы. Итоги науки и техники, 1986, т. 36.

18. Khali М.А. GPS multiptipath error aerspace symposium. Atlantic -City, 25 27 Okt. 1978.

19. Жуковский А.П., Оноприенко Е.И., Чижов В.И. Теоретические основы радиовысотомерии. М.: Советское радио, 1979.

20. Beckman P., Spizzictino A. The scattering of electromagnetic waves from rough surface. Pergamon Press. N.J., 1963.

21. Шебшаевич B.C., Григорьев M.H. и др. Дифференциальный режим сетевой спутниковой радионавигационной системы. Зарубежная радиоэлектроника, 1989, № 1.

22. Манин А.П., Романов Л.И. Методы и средства относительных определений в системе «Навстар». Зарубежная радиоэлектроника, 1989, № 1.

23. Мищенко М.Н. и др: Использование системы «NAVSTAR» для определения угловых координат ориентации объектов. Зарубежная электроника, 1989, № 1.

24. Ярлыков М.С. Статистическая теория радионавигации. М.: Радио и связь, 1981.

25. Краснюк Н.П. и др. Влияние тропосферы и подстилающей поверхности на работу PJIC. М.: Радио и связь, 1983.

26. Боровиков В.А., Кинбер Б.Е. Геометрическая теория дифракции. М.: Связь, 1978.

27. Левин Б.Р. теоретические основы статистической радиотехники, кн. 1.М.: Советское радио, 1966.

28. Козлов A.B. Математическое описание прохождения сигнала от ИСЗ через несущий винт вертолета. В кн.: Проблемы совершенствования технического обслуживания авиационной техники инженерно-авиационного обеспечения полетов. М.: МИИГА, 1988.

29. Бакут П.А., Большаков И.А. и др. Вопросы статистической теории радиолокации, т. II. М.: Советское радио, 1964.

30. Warburton J., Kamb D. System Resources Corporation Validation of the FAA LAAS Specification Using the LAAS Nest Prototype (LTP), ION GPS 98/Proc., Nashwille, 1998.

31. Бойцов B.A., Крыжановский Г.А. Лазерные траекторные измерения полета воздушных судов в процессах управления воздушным движением и посадки. ВИНИТИ. Итоги науки и техники. Серия Воздушный транспорт, т. 8,1980.

32. Линдсей В. Системы синхронизации и связи в управлении. Пер. с англ. под ред. Ю.Н.Бакаева и М.В.Капранова. М.: Советское радио, 1978.

33. Карюкин Г.Е. Анализ влияния несущего винта вертолета и других элементов конструкции на качество функционирования локальной дифференциальной подсистемы СРНС Научный вестник МГТУ ГА. Серия Радиофизика и радиотехника. 2005, № 93.

34. Карюкин Г.Е. Совершенствование алгоритма обработки сигнала в СРНС в условиях многолучевого приема. Межвузовский сборник научных трудов «Проблемы эксплуатации и совершенствования транспортных систем», т. XI. С.- Петербург: Академия ГА, 2005.

35. Карюкин Г.Е., Денисенко Л.К., Мороз В.П., Федотов B.C. Отчет по ОКР «Уранит». МКБ «Компас». Регистрационный номер Х85226. Отраслевой сборник аннотаций и рефератов НИОКР 144-РЭ-4-81, 1997.

36. Карюкин Г.Е., Застенкер В.Г., Светашов В.А. Научно-технический отчет по НИР «Введение». Регистрационный номер Х877551. М.: МКБ «Компас», 1996.

37. Карюкин Г.Е., Лисовский Л.К., Мороз В.П., Федотов B.C. Отчет по ОКР «Пеленг». Регистрационный номер V23658. М.: МКБ «Компас», 1985.