автореферат диссертации по транспорту, 05.22.13, диссертация на тему:Разработка методов и средств обеспечения категорированной посадки воздушных судов с использованием спутниковых радионавигационных систем

Актуальность работы. Тенденция развития средств навигации и управления воздушным движением состоит в переходе на спутниковую технологию. При этом современные среднеорбитальные спутниковые радионавигационные системы (СРНС) типа ГЛОНАСС (РФ) и GPS (США) в перспективе должны стать основной навигационной системой для подавляющего большинства пользователей, нуждающихся в точном текущем определении своего места.

Преимущества спутниковых систем достаточно глубоко проанализированы в ряде известных работ [1-5]. Основным их достоинством является повышенная точность определения вектора местоположения воздушного судна (ВС), на порядок и более превышающая точности, реализуемые в РНС с наземным базированием опорных станций [6]. К тому же вектор состояния ВС, оцениваемый в СРНС, содержит, в общем случае, расширенный набор навигационных параметров [НП] и включает в себя четырехмерный вектор координат и сдвига бортовой шкалы времени (БИТВ) ВС относительно шкалы времени системы (дс, у, z, At) и четырехмерный вектор скорости их изменения (х,у,z,At). Такой набор параметров полностью перекрывает требования разнообразных навигационных задач (НЗ), обеспечивая пользователей трехмерной маршрутной навигацией с привязкой к системе точного времени в любой точке Земного шара.

Тем н^менее существует несколько классов НЗ, для решения которых

CSтрадиционно 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, первоначально, применительно к авиации, разрабатываемых 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 5 дифференциальные подсистемы (ШДПС) типа подсистемы WAAS [7-9], предназначенные для обеспечения уровней целостности, доступности и точности, предъявляемых к основным системам для всех фаз полета ВС, вплоть до захода на посадку по I категории ИКАО; региональные дифференциальные подсистемы (РДПС) типа подсистем Starfix [10], предназначенные для навигационного обеспечения отдельных регионов, и локальные дифференциальные подсистемы (ЛДПС) типа подсистем Д920/Д930 [11], 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 части обеспечения решения задач катего-рированной посадки. При решении этих задач, в первую очередь, необходим анализ факторов, влияющих на тондость местоопределения при малых высотах полета ВС, поскольку в литературе, как правило, приводятся лишь экспериментальные данные, имеющие фрагментарный характер. Кроме того, необходим сравнительный ^^ю^пдтщщкзаад^ло^йСХИ реализации методов навигационных определений (НВО), перспективных с точки зрения применимости для решения задач категорированной посадки. При этом особый интерес представляет рассмотрение и совершенствование относительных НВО, которые помимо высоких точностных характеристик обладают тем преимуществом перед обычными дифференциальными НВО, что не требуют геодезической привязки контрольно-корректирующей станции и, следовательно, применимы для обеспечения посадки на необорудованные площадки и палубу корабля. Кроме того, необходим анализ влияния характеристик трасс захода на посадку и вылета, а также типа ВС на качество функционирования системы посадки на основе СРНС. В частности, 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 исследования. Целью работы является разработка методов и средств обеспечения категорированной посадки воздушных судов с использованием спутниковых радионавигационных систем. Для достижения поставленной цели необходимо было решение следующих задач: 6

1. Анализ факторов, влияющих на точностные и динамические характеристики приемоиндикаторов СРНС при полетах ВС на малых высотах.

2. Анализ возможности повышения точности местоопределения ВС с использованием СРНС за счет совершенствования методов навигационных определений.

3. Разработка принципов построения систем посадки ВС с использованием СРНС.

4. Анализ влияния характеристик трасс захода на посадку и типа ВС на качество функционирования систем посадки ВС на основе СРНС.

Методы исследований. При решении перечисленных задач в работе были использованы прикладные методы теории вероятностей и теории случайных процессов и методы математического моделирования.

Научная новизна работы. Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней впервые проведен системный анализ перспектив использования глобальных систем спутниковой навигации для решения задачи категорированной посадки воздушных судов с учетом полноты орбитальной группировки космических аппаратов и влияния основных мешающих факторов, в том числе связанных с полетами на малых высотах.

В диссертации получены следующие основные результаты:

- выведены расчетные соотношения для оценки влияния параметров движения воздушного судна и геометрической конфигурации рабочего созвездия космических аппаратов на ослабление сигнала и уровень помех в спутниковых радионавигационных системах;

- на основе разработанных моделей методами математического моделирования дана оценка ухудшения точности местоопределения воздушных судов по спутниковой радионавигационной системе за счет влияния подстилающей поверхности при полетах и маневрировании на малых высотах;

- дана оценка эффективности оптимизации рабочего созвездия космических аппаратов путем учета неравноточности измерений псевдодальностей в условиях мешающих воздействий при малых высотах полета воздушного судна;

- предложен способ уменьшения влияния системных погрешностей местоопределения по спутниковой радионавигационной системе, основанный на использовании разностно-дальномерных относительных навигационных определений, и приведен сравнительный анализ точностных 7 характеристик и сложности различных вариантов их реализации применительно к системам посадки воздушных судов;

- дана оценка влияния характера подстилающей поверхности в зонах захода на посадку и вылета воздушных судов на точностные характеристики системы посадки на основе спутниковой радионавигационной системы;

- проведен анализ вшяния несущего винта вертолета и других элементов его конструкции на точность местоопределения и достоверность передачи навигационных поправок при использовании спутниковой системы для осуществления посадки вертолетов.

На защиту выносятся:

1. Результаты теоретического анализа основных факторов, влияющих на точностные и динамические характеристики приемоиндикаторов спутниковых радионавигационных систем, размещаемых на воздушных судах, осуществляющих полеты на малых высотах.

2. Результаты математического моделирования влияния основных мешающих факторов на качество функционирования систем посадки на основе спутниковых радионавигационных систем.

3. Методы улучшения навигационных определений воздушного судна по спутниковым радионавигационным системам, позволяющие использовать их для осуществления категорированной посадки.

4. Рекомендации по построению бортовой и наземной аппаратуры систем посадки на основе спутниковых радионавигационных систем.

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

- повысить точность местоопределения по спутниковым радионавигационным системам при малых высотах полета воздушного судна путем совершенствования методов навигационных определений и оптимизации рабочего созвездия космических аппаратов;

- расширить функционирование возможности спутниковых радионавигационных систем, используя их для обеспечения категорированной посадки воздушных судов;

- минимизировать объем бортового и наземного навигационного оборудования за счет многофункционального использования его на всех этапах полета воздушного судна, включая посадку;

- повысить безопасность полетов за счет повышения точности место-определения по спутниковым радионавигационным системам на наиболее 8 ответственных этапах полета и комплексирования их с другими средствами обеспечения самолетовождения.

Внедрение результатов. Основные результаты диссертационной работы внедрены в Московском конструкторском бюро "Компас" и в МГТУ ГА, что подтверждено соответствующими актами.

Апробация результатов. Материалы диссертации докладывались на научно-техническом семинаре "Концепция создания интегрированного оборудования навигации, посадки, связи и наблюдения" (МГТУ ГА и МКБ "Компас", 2000 г.), на Международной конференции Сибирского авиакосмического салона "САКС-2001" (г. Красноярск, Сибирская аэрокосмическая академия, 2001 г.) и на 4-й Международной научно-технической конференции "Цифровая обработка сигналов и ее применение" (НТОРЭС им. А.С.Попова, 2002 г.).

Публикация результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в 7 статьях и 3 тезисах докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных источников и приложения.

Основные результаты, полученные в 3 главе, состоят в следующем:

1. Разработана математическая модель, позволяющая оценивать влияние характера лесных покровов в зонах захода на посадку и вылета ВС на точность местоопределения по СРНС.

2. Разработана математическая модель влияния несущего винта вертолета и других элементов его конструкции на точность местоопределения и достоверность передачи навигационных поправок и других информационных сообщений в СРНС при размещении приемоиндикатора на вертолете, осуществляющем полеты на малых высотах.

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

1. Уровень помех за счет отражения от подстилающей поверхности, влияющих на точность местоопределения ВС в зонах захода на посадку и вылета, существенно зависит от характера лесных в этих зонах. При этом наибольший уровень помех имеет место при голой пересеченной местности, а наименьший - при лесном покрове в виде голого редкого леса. Остальные виды лесных покровов (лиственный, хвойный, голый густой, зимний) занимают промежуточное положение. При этом, чем гуще лес, тем выше уровень помех, что следует учитывать при выборе трасс захода на посадку и вылета ВС в случае оснащения аэродрома системой посадки на основе СРНС.

2. Влияние несущего винта вертолета на точность местоопределения существенно (точность ухудшается примерно в 2 раза) на высотах порядка 600 м. С уменьшением высоты полета это влияние ослабевает из-за преобладающего влияния отражений от подстилающей поверхности и при 100 м становится пренебрежимо малым. Введение ограничения на допустимый максимальный угол места КА при размещении приемоиндикатора СРНС на вертолете позволяет повысить точность местоопределения примерно на 25%. Влияние несущего винта и других элементов конструкции ВС на достоверность передачи информационных сообщений при отношениях сигнал/помеха, имеющих место в СРНС, несущественно.

Научные результаты, полученные в главе 3, изложены в работах автора [36,38].

102 Заключение

Диссертация содержит новое решение актуальной научной задачи разработки методов и средств обеспечения категорированной посадки воздушных судов с использованием спутниковых радионавигационных систем.

В результате проведенных исследований получены следующие основные научные результаты:

1. Получены расчетные соотношения для оценки влияния параметров движения ВС и геометрической конфигурации рабочего созвездия КА на ослабление сигнала и уровень помех в СРНС.

2. Разработана математическая модель влияния на точностные и динамические характеристики приемоиндикатора СРНС собственных шумов, внешних помех и отражений от подстилающей поверхности при полетах ВС на малых высотах.

3. Предложен способ оптимизации рабочего созвездия КА, учитывающий неравноточность измерений в СРНС в условиях мешающих воздействий, имеющих место при малых высотах полета ВС.

4. Предложен способ уменьшения влияния системных погрешностей местоопределения по СРНС в зоне посадки ВС, основанный на использовании разностно-дальномерных относительных навигационных определений.

5. Проведен сравнительный анализ точностных характеристик и сложности аппаратурной реализации различных методов навигационных определений координат и углового положения ВС с использованием СРНС с точки зрения применимости их для обеспечения категорированной посадки.

6. Обоснована целесообразность использования избыточных КА и комплексирования РНС с космическим и наземным базированием для обеспечения непрерывности обслуживания ВС на этапах захода на посадку и посадки.

7. Разработана математическая модель, позволяющая оценивать влияние характера лесных покровов в зонах захода на посадку и вылета ВС на точность их местоопределения по СРНС.

8. Разработана математическая модель влияния несущего винта вертолета и других элементов его конструкции на точность местоопределения и достоверность передачи информационных сообщений в СРНС при разме

103 щении приемоиндикатора на вертолете, осуществляющем полеты на малых высотах.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. При малых высотах полета ВС помехи за счет отражений от подстилающей поверхности значительно (в 4-5 раз при высотах менее 100 м) увеличивают погрешность местоопределения в СРНС. При этом степень влияния подстилающей поверхности на точность местоопределения сильно зависит от угла места КА и угла крена ВС, увеличиваясь с уменьшением угла места КА и увеличением крена ВС.

2. Время поиска КА, особенно существенное при местоопределении на этапе посадки ВС, также зависит от угла места КА и угла крена ВС, значительно (в 2-4 раза) уменьшаясь при поиске КА с малыми углами места (менее 10°) при увеличения угла крена (до 30°) в сторону КА, что следует учитывать при выборе рабочего созвездия во время маневрирования ВС при заходе на посадку.

3. Точность местоопределения ВС по СРНС при полетах на малых высотах может быть повышена при учете неравноточности навигационных измерений с использованием при выборе оптимального рабочего созвездия КА усовершенствованного геометрического фактора, либо, что предпочтительней с точки зрения снижения требований к производительности бортового вычислителя, путем введения ограничения на минимально допустимый угол места КА на уровне 10°.

4. При использовании СРНС в стандартном режиме погрешность местоопределения ВС на малых высотах не удовлетворяет требованиям обеспечения посадки даже по I категории ИКАО, однако точность местоопределения 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.

5. С точки зрения применимости для обеспечения категорированной посадки ВС с использованием СРНС наилучшими точностными характеристиками обладает разностно-дальномерный способ относительных навигационных определений, позволяющий при измерениях по коду повышенной точности осуществлять посадку по I и II категориям, а при фазовых измерениях на несущей - по I, II и III категориям. При этом в случае использования фазовых измерений возможно определение углового положе

104 ния ВС относительно ВПП, необходимое для обеспечения посадки по III категории.

6. Из двух возможных вариантов реализации относительных навигационных определений в системах посадки на основе СРНС: с дискретным каналом передачи данных и с ретранслятором, более сложным является первый вариант, требующий размещения на контрольной станции полного комплекта аппаратуры потребителя, дополненного аппаратурой связи, и принятия мер для обеспечения одномоментности измерений. Вариант с ретранслятором аппаратурно проще, но его реализация требует решения проблемы электромагнитной совместимости ретранслятора с другой радиоаппаратурой.

7. На качество функционирования систем посадки на основе СРНС оказывают влияние некоторые характеристики трасс захода на посадку и вылета, в частности, тип подстилающей поверхности, а именно: характер лесных покровов, а также тип ВС. При этом наиболее неблагоприятной с точки зрения влияния на точность местоопределения ВС на малых высотах является подстилающая поверхность в виде голой пересеченной местности. При размещении приемоиндикатора СРНС на вертолете из-за экранирующего влияния несущего винта точность местоопределения на высотах порядка 600 м ухудшается в среднем в 2 раза.

105

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

2. Ярлыков М.С., Чижов О.П. Субоптимальные алгоритмы приема и комплексной обработки квазикогерентных сигналов спутниковой радионавигационной системы. Радиотехника, 1996, № 1.

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

4. Соловьев Ю.А. Комплексирование глобальных спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС и GPS с другими радионавигационными измерителями (обзор). Радиотехника, 1999, № 1.

5. Кинкулькин И.Е. Совмещенная аппаратура потребителей спутниковых радионавигационных систем. Радиотехника, 1996, № 2.

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

7. 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.

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

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

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

11. 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.

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

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

14. 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 - 11.07.97.106

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

16. Бортовые устройства спутниковой радионавигации. Под ред. Шебшае-вичаВ.С. М.: Транспорт, 1988.

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

18. Романов JI.M., Шведов А.К. Испытания спутниковой радионавигационной системы NAVSTAR. Зарубежная радиоэлектроника, 1987, №11.

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

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

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

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

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

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

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

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

27. Ерухимов JI.M., Рязанов Ю.А. Исследование мелкомасштабной части спектра ионосферных неоднородностей радиоастрономическим методом на частотах 15-34 МГц. Геомагнетизм и аэрономия, 1968, т. 8, № 4.

28. Колосов М.А., Шебшаевич А.В. Рефракция электромагнитных волн в атмосфере Земли, Венеры и Марса. М.: Советское радио, 1976.

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

30. Peake W.H. The interaction of electromagnetic waves with some natural surface. Report N 898-2, 1959, Ohio State University.107

31. Козлов А.В. 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.

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

33. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники, кн. 1. М.: Советское радио, 1966.

34. Голованов Э.Б. Принципы построения системы посадки ВС с использованием спутниковых РНС и особенности реализации в ней навигационных определений. Там же.

35. Голованов Э.Б. Влияние несущего винта вертолета на качество функционирования системы посадки ВС на основе спутниковых РНС. Там же.

36. Голованов Э.Б. Анализ возможности повышения точности местоопределения ВС с использованием спутниковых РНС за счет совершенствования методов навигационных определений. Научный вестник МГТУ ГА. Серия Радиофизика и радиотехника, 2002, № 54.

37. Голованов Э.Б. Влияние типа подстилающей поверхности в зонах захода на посадку и вылета ВС на качество функционирования системы посадки на основе спутниковых РНС. Там же.

38. Прошин М.В., Рубцов Д.В., Голованов Э.Б. Анализ возможности улучшения характеристик авиационных каналов передачи данных за счет навигационной поддержки в локальных радионавигационных сетях и при АЗН. Там же.108

39. Рубцов В.Д., Голованов Э.Б. Метод повышения точности относительных навигационных определений в СРНС. Международная конференция Сибирского авиакосмического салона «САКС-2001». Тезисы докладов. Красноярск: Сибирская аэрокосмическая академия, 2001.

40. Соискатель: От МКБ «Компас»

41. Главный конструктор направления1. Э.Б.Головановянваря 2002 г.января 2002 г.