автореферат диссертации по транспорту, 05.22.13, диссертация на тему:Совершенствование методов навигационных определений воздушных судов на малых высотах с использованием спутниковых навигационных систем и радиовысотомеров

На правах рукописи ГУСЕВ АЛЕКСАНДР ПАВЛОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ НАВИГАЦИОННЫХ ОПРЕДЕЛЕНИЙ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ НА МАЛЫХ ВЫСОТАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СПУТНИКОВЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ И РАДИОВЫСОТОМЕРОВ

Специальность 05.22.13 - Навигация и управление воздушным движением

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 2 о ИТ 2Ш

МОСКВА - 2008

003480752

Диссертационная работа выполнена в Московском государственном техническом университете гражданской авиации

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Рубцов Виталий Дмитриевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Маслов Виктор Юрьевич

кандидат технических наук Копцев Александр Анатольевич

Ведущая организация: ФГУП Государственный научно-

исследовательский институт авиационных систем

Защита состоится « 13 » ноября 2009 г. в _ часов на заседании

Диссертационного Совета Д.223.011.01 при Московском государственном техническом университете гражданской авиации по адресу: 125993, г. Москва, А-493, ГСП-3, Кронштадтский бульвар, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ ГА. Автореферат разослан » 2009г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д223.011.01 доктор технических наук, профессор

— С.В.Кузнецов

Общая характеристика работы

Актуальность работы. При решении ряда задач с использованием эздушных судов (ВС), таких как спасательные операции, доставка грузов, 1ход на посадку на необорудованные площадки, предъявляются овышенные требования к точности показаний навигационного эорудования. При этом даже небольшая ошибка может привести к атастрофе.

Наиболее современным точным средством определения ространственного положения ВС на данный момент являются спутниковые адионавигационные системы (СРНС) ГЛОНАСС (РФ) и GPS (США), спользование данных систем позволяет получить набор навигационных араметров, обеспечивающий экипаж ВС трехмерной навигацией и озволяющий решать различные навигационные задачи.

При определении местоположения ВС в точке нахождения приемной тонны помимо прямых сигналов от навигационных космических аппаратов ЖА) присутствуют отраженные от различных местных предметов и горных эразований сигналы, уровень которых может оказаться достаточным для неприятия их в качестве прямого сигнала СРНС. При существовании гражений могут возникнуть два вида ошибок. Во-первых, формирующаяся ноголучевая помеха, отличающаяся от шума тем, что она является эррелированной с прямым сигналом СРНС. При кодовых измерениях эоисходит смещение рабочей точки корреляционной функции вследствие )го, что аппаратура пользователя (АП) СРНС отслеживает характерную )чку суммы прямого и отраженных сигналов, что может привести к гачительным ошибкам измерения псевдодальности (ПД). При этом в случае ножественных отражений возможен срыв слежения за сигналом НКА, отводящий к потере работоспособности АП. Второй опасной ситуацией ¡ляется наличие отраженного сигнала СРНС при отсутствии прямого. Такой (гнал принято называть сигналом «ложного спутника». Он может возникать гористых местностях, когда прямой сигнал от НКА недоступен для АП :ледствие особенностей рельефа местности, а отраженный попадает в ггенну АП СРНС. Из-за высокой отражательной способности горных 5разований уровень таких сигналов может оказаться сравнимым с уровнем эямого сигнала. Использование подобных отраженных сигналов для :шения навигационной задачи может приводить к значительным ошибкам феделения местоположения ВС, которые будем называть «аномальными».

Существующие дифференциальные методы повышения точности феделения координат по сигналам СРНС, реализуемые путем >мплексирования АП СРНС с оборудованием для приема поправок от ¡земной контрольно-корректирующей станции, не позволяют избавить жазания АП СРНС от «аномальных» ошибок.

В этой связи представляет интерес поиск решения данной проблемы, нованного на анализе характеристик отраженного сигнала.

Несмотря на универсальность и доступность СРНС данный вид навигации обладает серьезным недостатком. Высота в СРНС определяется относительно геоида (математической модели Земного шара) и не дает информации о фактической высоте относительно подстилающей поверхности. Кроме того, точность определения высоты в СРНС ниже точности определения плановых координат ВС из-за более высокого значения геометрического фактора по высоте, который отражает соотношение точностей определения навигационных и радионавигационных параметров и определяется взаимным расположением НКА и АП СРНС. В этой связи целесообразно комплексирование АП СРНС с высотомером.

Одним из наиболее точных методов определения высоты является радиовысотометрия. Точное определение высоты особенно актуально при операциях поиска и спасания, доставки грузов на снег, лед, либо на грунт с неизвестными механическими свойствами, а также при зависании вертолета над снежными и ледовыми поверхностями. Отраженный сигнал формируется не непосредственно от отражающей поверхности, а от некоторой точки в глубине слоя, поэтому важно оценить влияние данного эффекта на точность определения высоты методами радиовысотометрии. Эту задачу можно решить путем учета фактической вертикальной области отражения от подстилающих сложных многослойных поверхностей, что требует учета их электрофизических параметров.

Исследованию вышеуказанных вопросов посвящена настоящая диссертация, что обосновывает актуальность проводимых в ней исследований.

Цель диссертации - совершенствование методов определения местоположения ВС при полетах в горной местности и на малых высотах.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих

задач:

1. Анализ влияния сигналов, отраженных от подстилающей поверхности, на точность определения местоположения ВС по сигналам СРНС.

2. Анализ недостатков существующих методов уменьшения погрешности определения местоположения ВС по сигналам СРНС.

3. Оценка места, времени и вероятности возникновения «аномальных ошибок».

4. Разработка методики устранения «аномальных» ошибок в СРНС на основе анализа характеристик отраженных сигналов, в частности их поляризационных свойств и уменьшения влияния многолучевости на точность показаний АП СРНС.

5. Разработка методики оценки погрешности определения высоты полета ВС над поверхностями с плавным изменением диэлектрической проницаемости по высоте.

Методы исследования

При решении перечисленных задач в работе использовались прикладные методы теории вероятностей и теории случайных процессов,

аппарат линейной алгебры, методы теории оптимального оценивания, статистические методы обработки экспериментальных данных и методы математического моделирования.

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

1. Разработана методика устранения «аномальных» ошибок, обусловленных воздействием на АП отраженных сигналов СРНС, основанная на использовании поляризационного разделения принимаемых сигналов с последующим анализом их уровней.

2. Разработана методика, позволяющая снизить влияние многолучевоста на точность определения координат с помощью АП СРНС путем компенсации искажения корреляционного пика.

3. Разработана методика, позволяющая оценить погрешность определения малых высот с использованием радиовысотомеров (РВ) при полетах ВС над поверхностями со сложными функциональными зависимостями диэлектрической проницаемости от глубины отражающего слоя, в частности снежными и ледовыми покровами.

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

- повысить надежность и точность навигационных определений по сигналам СРНС при полетах ВС на малых высотах и в гористой местности путем совершенствования антенной системы АП СРНС и алгоритмов обработки сигналов;

- повысить точность определения малых высот с помощью РВ при полетах ВС над подстилающими поверхностями со сложными функциональными зависимостями диэлектрической проницаемости от глубины отражающег о слоя.

Достоверность результатов исследований подтверждается физической обоснованностью математических моделей формирования отраженных СРНС в гористой местности и формирования сигнала РВ, отраженного от поверхностей со сложной многослойной структурой, а также корректным использованием математического аппарата при расчете ошибок определения координат, обусловленных отражениями, и дополнительной погрешности РВ, обусловленной подповерхностным формированием отраженного сигнала.

На защиту выносятся:

-методика устранения «аномальных» ошибок определения координат,

-методика уменьшения влияния многолучевоста на точность показаний АП СРНС,

-методика расчета погрешности определения высоты РВ малых высот, обусловленной подповерхностным формированием отраженного сигнала.

Внедрение результатов. Основные результаты диссертации внедрены в ОАО «Московское конструкторское бюро «Компас» и в Московском государственном техническом университете гражданской авиации, что подтверждено соответствующими актами.

Апробация результатов работы. По материалам диссертации опубликовано 4 научных статьи и 3 тезиса докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, изложена на 127 страницах машинописного текста, содержит 54 иллюстрации и 6 таблиц. Список литературы содержит 74 наименования.

В первой главе диссертационной работы проведен анализ требований, предъявляемых к навигационному обеспечению ВС на различных этапах полета при решении различных навигационных задач. Рассмотрены основные источники ошибок АП СРНС и их долевой вклад в общую погрешность определения координат, а также проведен анализ недостатков существующих методов их устранения.

Проведена оценка отношения сигнал/помеха в СРНС при наличии отражений от различных подстилающих поверхностей. Рассчитаны зоны отражения для различных высот полета ВС.

При определении координат ВС по сигналам СРНС на точность показаний АП СРНС существенно влияет многолучевость, которая возникает из-за отражения сигналов СРНС от подстилающей поверхности и склонов гор. На параметры отраженного сигнала существенное влияние оказывают характеристики отражающей поверхности. При этом степень шероховатости и диэлектрическая проницаемость отражающей поверхности являются основными искажающим факторами.

В главе рассматривается влияние геометрических и электрофизических свойств различных видов подстилающих поверхностей на изменение отношения сигнал/помеха при различных высотах полета ВС. Рассмотрены модели Бекмана, Тейка, Клапса. В качестве базовой модели для рассмотрения была принята модель Бекмана, в рамках которой поверхность полагается шероховатой, состоящей из произвольно ориентированных граней

Рис. 1. К объяснению модели Бекмана грани выбирается существенно

больше длины падающей волны (1 » X). При этом сигнал на входе приемника будет представлять собой сумму волн, отраженных гранями поверхности с одинаковой ориентацией. Плотность вероятностей распределения высот неровностей полагается нормальной:

Содержание работы

(рис. 1).

Каждая грань поверхности представляет собой «блестящую точку», зеркально отражающую падающую волну. При этом коэффициент отражения полагается равным коэффициенту отражения Френеля. Геометрический размер

W(h) =

A-A '2(x2

где с2 - дисперсия высот неровностей, Ь - высота граней, Ь - средняя высота неровностей рассматриваемой поверхности.

Мощность сигнала, отраженного поверхностью, описываемой данной моделью, будет определяться по формуле:

N

P=T¡bD,P, i=l

'отр

(2)

где т] - коэффициент передачи антенно-фидерного тракта, - коэффициент направленного действия (КПД) антенны ВС в направлении /'-й площадки земной поверхности; Р 1отр - мощность, излучаемая (-й площадкой земной поверхности в направлении ВС; ¡с. ~ коэффициент подавления помехи в

приемокорреляторе.

По результатам математического моделирования влияния сигналов, отраженных от голой подстилающей поверхности, на точность определения ГТД построен ряд кривых (рис. 2), показывающих зависимость среднеквадратического отклонения (СКО) (сплошная линия) и математического ожидания (МО) (пунктирная линия) погрешностей измерения ПД от высоты полета ВС, углов крена и тангажа (а и Р, соответственно).

Для анализа влияния

СКО, МО м электрофизических характери-

стик различных подстилающих поверхностей на уровень отраженных сигналов были рассмотрены поверхности с различными видами растительности: голой пересеченной местности; местности, покрытой невысокой растительностью, и различных лесных покровов. Для описания зимнего леса с кронами, покрытыми шапками снега, хвойного и лиственного леса с сомкнутыми вершинами использовалась модель статистических шероховатостей земной поверхности. При этом заметим, что лесной покров не всегда может быть описан отдельно мелкомасштабной или крупномасштабной моделями шероховатостей. Хвойный и лиственный лес с сомкнутыми вершинами характеризуется как крупномасштабными

60

40

20

\ / и = 45®, /р = (Г i

\Л « = 2(1°, /р» J0° а-20°,!

ч / i Г" 1

ч ^ — ....... л_______

200 400 600 600 Нвс, м Рис. 2. СКО и МО ошибки измерения ПД под влиянием подстилающей поверхности

неровностями, описывающими кроны деревьев, так и мелкомасштабными шероховатостями, наложенными на крупномасштабные. Такие поверхности классифицируются как сложные, причем для нахождения средней эффективной нормированной площади рассеяния следует суммировать средние эффективные площади отдельных видов шероховатостей.

Произведен расчет зависимостей влияния типа подстилающей поверхности на значение отношения сигнал/помеха (д) на входе приемника АП СРНС от угла места НКА и высоты полета ВС (рис. 3 - 4).

Я, дБ

10 20 30 40 у,]рал Рис. 3. Зависимость отношения сигнал/помеха ц от угла места НКА и высоты полета ВС Н при полете над пересеченной местностью (высота неровностей ~ 1,5 м)

Рис. 4. Зависимость отношения сигнал/помеха ц от угла места НКА и высоты полета ВС Я при полете над голым редким лесом

Наибольшим уровнем отражений характеризуется голая пересеченная местность, что обусловлено ее высокой отражательной способностью. Наименьшим уровнем помех характеризуется голый редкий лес, что можно объяснить тем, что большая часть электромагнитных волн проникает вглубь леса, где происходит их поглощение за счет многократных переотражений. В результате уровень отраженного сигнала снижается на 2-10 дБ, но при этом он все же находятся в диапазоне чувствительности навигационного приемника, что подтверждает опасность возникновения «аномальных» ошибок определения координат с использованием СРНС. Особенно велик уровень отраженных сигналов от скал в гористой местности (ослабление отраженного сигнала около 2 дБ). При этом создаются наиболее благоприятные условия для возникновения таких ошибок.

Методами полунатурного моделирования была дана оценка влияния сигналов «ложных спутников» на точность определения координат ВС с помощью АП СРНС. В процессе моделирования количество видимых НКА не превышало 7-ми, минимальный угол возвышения НКА не менее 10°. При моделировании исследовалось влияние задержки сигнала от одного и двух НКА, значение задержки сигнала варьировалось от 10 не до 2 мкс. Рассматривалось три случая влияния сигналов «ложных спутников», включенных в рабочее созвездие НКА на координаты ВС:

I - влияние сигнала «ложного спутника» с углом возвышения 14° и азимутом 168°;

II - влияние сигнала «ложного спутника» с углом возвышения 46° и азимутом 300°;

1+П - влияние сигналов двух «ложных спутников» одновременно. Значения ошибок определения координат приведены в таблице 1.

Таблица 1

Ошибка по координатам в результате воздействия сигналов

«ложных спутников» на АП СРНС

Задержка, не Ошибка по координатам, м

Широта Долгота Высота

I II 1+П I II 1+П I II 1+П

10 0.56 -0.66 0.0562 0.13 0.775 0.665 0.95 0.257 1.6

50 2.26 -3.2 -0.366 0.274 3.45 3.29 5.39 2.93 9.78

500 26.8 -32.3 -6.25 0.298 33.8 34.4 69.3 33.6 101

1000 53.2 -64 -11.7 0.878 67.3 67.1 138 67 204

2000 104 -64.1 -22.6 0.525 67.4 132 273 66.8 407

Результаты эксперимента показали, что «аномальные» ошибки могут значительно превышать ошибки, вызванные влиянием отражения от подстилающей поверхности, что делает актуальным разработку методов борьбы с данными явлениями.

Во второй главе методами математического моделирования проведен анализ вероятностей затенения горными образованиями НКА и возникновения сигналов «ложных спутников» при полетах ВС в гористых районах. Моделирование приводилось применительно к району Кавказских гор площадью 3305 км2, расположенному между 41° -41,6° северной широты и 47°-47,6° восточной долготы. Участок содержит горные хребты и одиночные горы. Моделирование проводилось путем моделирования отдельных горных структур с последующим их объединением в единый массив. Основными параметрами при моделировании служили координаты вершины, размеры и ориентация основания горной структуры. Результаты оценки вероятности затенения НКА рабочего созвездия, появления одного, двух и трех «ложных спутников» в зависимости от высоты полета ВС в горных районах отображены на гистограммах, представленных на рисунках 5 и 6.

Проведен анализ существующих методов уменьшения погрешности определения местоположения ВС путем устранения ошибок, вызванных многолучевостью и сигналами «ложных спутников». К рассмотренным методам относились использование ИЛ1М (системы контроля целостности), комплектование АП СРНС и инерциальной навигационной системы (ИНС), либо АП и импульсно-фазовой радионавигационной системой (ИФРНС).

Предложена новая методика уменьшения погрешности мсстоопределения путем распознавания сигналов «ложных спутников», основанная на использовании информации о поляризационной структуре

сигнала. Методика исключает недостатки рассмотренных выше методов и не

требует существенного усложнения оборудования и алгоритмов его работы. р

о,я

0,6

0.2

0,0

||||.

Лиг, км

ода-оловом-0.050

ода

"Ж- 1

п.1(•= 2

«ж'у

Авг. *»'

1 2

Рис. 5. Зависимость вероятности Рис. 6. Зависимость вероятности затенения горами хотя бы одного появления «ложных спутников» от КА оптимального рабочего созвез- высоты полета ВС дия от высоты полета воздушного судна

В настоящее время в АП СРНС широко используются антенны с круговой поляризацией. Они позволяют ослабить уровень отраженного сигнала, имеющего обратное направление вращения поляризации, но не исключить его. Суть предлагаемой методики заключается в сравнении уровней сигналов от пары квадрифилярных антенн (биантенной системы) с противоположными направлениями вращения вектора поляризации.

При однократном отражении сигнала направление вращения вектора поляризации изменяется на противоположное. При несовпадении направлений векторов поляризаций поляризационный коэффициент передачи в идеальном случае обращается в ноль.

Согласно Интерфейсному контрольному документу (ИКД) ГЛОНАСС максимальная разность между уровнями сигналов, принимаемых аппаратурой потребителя, с учетом потерь при распространении в атмосфере и погрешности угловой ориентации НКА спутниковой группировки, составляет 2 дБ. Однако за счет направленных свойств антенны при эволюциях положения ВС и искажении сигналов, обусловленных отражениями от конструкции ВС, величина отношения может достигать 5 дБ. Данная величина лежит внутри динамического диапазона приемника, следовательно, использование значения уровня сигнала от одной антенны для различения прямого и отраженного сигналов не позволяет осуществлять разделение прямого и отраженного сигналов. В этой ситуации целесообразно производить сравнение уровней сигналов от двух антенн с противоположными направлениями вращения векторов поляризации (правой и левой).

Квадрифилярная спиральная антенна может представлять собой пару спирально закрученных рамок (рис. 7). На рисунке 8 показаны амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) антенн с правым (П) и левым (JI) направлениями вращения векторов поляризации при облучении антенны волной с правым направлением вращения вектора поляризации.

При облучении волной с правым направлением вращения антенны с левым направлением вращения будет наблюдаться провал на резонансной частоте (рис. 8). Рисунок 9 содержит несколько АЧХ антенны с левым направлением вращения вектора поляризации, зависящих от угла падения облучающего сигнала. Вертикальными пунктирными линиями обозначены основные рабочие частоты GPS и крайние частоты диапазона ГЛОНАСС.

Рис. 7. Структура квадрифилярной антенны

и, dB

п

л

1.58 1.6 1.62

Рис. 8. АЧХ приемной антенны сигналов с правым (П) и левым (Л) направлением вращения вектора поляризации

U, дБ

Рис. 9. Зависимость уровня сигнала от антенны с левым направлением вектора вращения поляризации в зависимости от угла возвышения источника сигнала относительно плоскости основания антенны

Кривая 1 соответствует уровню сигнала с правым направлением вращения, принимаемого сигнала антенной с левым направлением вращения вектора поляризации при прямом падении. Линии 2, 3, 4 соответствуют повороту излучающей антенны относительно приемной на 30°, 60° и 90°, соответственно. Как видно из результатов измерений, величина ослабления для сигналов противоположной поляризации составляет от 10 до 18 дБ, что в большинстве случаев гарантирует разделение кроссполяризованных сигналов на величину большую СКО результатов измерений уровней сигналов АП СРНС.

Каждая антенна будет подавлять сигнал с противоположным ей направлением вращения вектора поляризации, являясь поляризационным

демодулятором. При отсутствии отражений уровень сигнала от антенны Л будет минимум на 10 дБ ниже уровня сигнала от антенны с правым направлением вращения вектора поляризации. Но при разности 10 дБ оба сигнала попадают в динамический диапазон приемника.

Если при поступлении на вход антенн смеси прямого и отраженного сигналов разность уровней от них не превышает величины динамического диапазона приемника, то регистрируется наличие сигнала «ложного спутника» или многолучевости, приводящих к ошибке определения местоположения ВС. При этом принимается решение о необходимости исключения сигнала данного НКА из рабочего созвездия при решении навигационной задачи.

В работе представлена структурная схема модернизированного приемника СРНС. Приемник имеет два высокочастотных тракта (ВЧ), отличающихся только направлением вращения вектора поляризации антенн. Сигналы с обоих ВЧ трактов приходят на единый коррелятор. Основная часть коррелятора обрабатывает сигналы с антенны правой поляризации. Вспомогательная часть коррелятора предназначена для обработки сигналов с антенны левой поляризации. Информация об уровнях сигналов поступает в вычислитель, где происходит юс сравнение. Алгоритм работы приемника представлен на рисунке. 10.

При условии, что значение уровня сигнала, определенное в основной части коррелятора (ип), больше чем во вспомогательной ((Л), вырабатывается решение об использовании сигнала для решения навигационной задачи. Ключевым моментом в работе алгоритма является выбор иоп- Опорный уровень должен быть достаточно высок, чтобы исключить ложные срабатывания. Для обеспечения предъявленных требований иоп должен быть равен сумме СКО измерений ип и Ш

где ип и ил - уровни сигналов он правой и левой антенн; п - количество измерений, по которым производится оценка СКО.

Аналогичное условие в выборе и„п будет предъявляться и при различении ситуаций наличия «ложного спутника» и многолучевости.

При значительном превышении Ц, над ип влияние отраженного сигнала будет заметным и, следовательно, принимается решение о наличии «ложного спутника» и запрете использования для навигации данного НКА, в противном случае имеет место многолучевость.

(3)

Рис. 10. Алгоритм работы модернизированного приемника сигналов СРНС

В третьей главе проводится анализ ошибок измерения высоты различными радиовысотомерами (РВ) при полетах ВС над поверхностями с плавным изменением диэлектрической проницаемости, к которым относятся, в частности, снежиые и ледовые покровы.

В основе работы любого РВ лежит измерение времени задержки сигнала. При этом высота полета ВС определяется выражением:

/^с.-Ц^ (4)

где 1тл - время излучения сигнала, /пр - время приема отраженного сигнала, с - скорость света.

Основной погрешностью при определении высоты полета с помощью РВ является смещение оценки, обусловленное формированием отраженного сигнала от большого участка поверхности (рис. 11). Таким образом, в отраженном сигнале заложена информация не только о высоте полета Н, но и о различных наклонных дальностях Я*^ ..., Я, в пределах, ограниченных диаграммами направленности приемной и передающей антенн. В итоге значение измеренной высоты соответствует не истиной высоте полета, а

некоторой наклонной дальности II* ь оценка которой зависит от статистических свойств отражающей поверхности.

Кроме того, следует учитывать, что отраженный сигнал формируется не от поверхности, а от некоторой точки в глубине подстилающей поверхности, что вносит дополнительную погрешность в определение высоты. Особенно сильно данные ошибки будут проявляться при подстилающих поверхностях с небольшой величиной мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости (1т(е)от0,0Н до 0,50, что характерно для снега, льда и некоторых почв. Глубина проникновения радиоволн в однородную поверхность с постоянными диэлектрическими параметрами при уменьшении амплитуды волны в е (=2,7) может быть описана по формуле:

йЛтл/е ^

V с

где со - круговая частота сигнала, б - комплексная диэлектрическая проницаемость, с - скорость света (299792458 м/с).

В реальных РВ величина отношения между излученным и принятым от нижней точки области отражения сигналом может достигать величины 105. Исходя из того, что сигнал ослабевает в е1"1 раз, где <1 величина слоя, максимальная глубина проникновения (¡тих) может достигать 11 /.

В таблице 2 приведены значения глубины максимального проникновения сигналов РВ с различными несущими частотами при величине отношения между излученным и принятым сигналами равным 10 . Полученные результаты подтверждаются экспериментальными данными зондирования ледовых поверхностей и фунтов.

Таблица 2

Глубина проникновення радиоволн для различных поверхностей

Частота радиовысотомера, МГц, (длина волны X, м) Лед Е = 3+ / Мокрый снег £ = 4+ 0,5/ Сухой снег £ = 2+0,01/

444 (0,67) 4,4 10,55 371,14

2200(0,15) 0,92 2,2 74,47

4200 (0,07) 0,44 1,1 35,3

Большие значения глубины проникновения для сухого снежного покрова обосновывают его высокую радиопрозрачность.

Часто в реальных условиях не существует четкой границы раздела между двумя типами поверхностей. Такая ситуация характерна, например, для влажного поверхностного слоя почв, снежных покровов, наслоений морского льда и т.п. Строго говоря, любая реальная структура земной поверхности

ВС

Рис. 11. Геометрические соотношения при измерении высоты

локально характеризуется своим законом изменения комплексной диэлектрической проницаемости е(г), зависящей от координат. При этом зависимость е(г) может быть гладкой или кусочно-гладкой. В данной ситуации использовать френелевские коэффициенты отражения Яр для описания рассеяния волн на подобных структурах нельзя, так как эти коэффициенты получаются в предположении однородности отражающих сред. Для неоднородных сред необходимо учитывать рассеяние поля не только на границах их раздела, но и в объемах этих сред. Следовательно, комплексный коэффициент отражения Я представляет собой функцию 11 = 11[{^(г)}], зависящую от набора {е,(г)} (1=1, 2,...) диэлектрических проницаемостей всех участвующих в процессе рассеяния сред.

Вектор напряженности электрического поля прошедшей в слой волны будет удовлетворять следующему дифференциальному уравнению:

АЕ(х,г) + к2£(г)Е(х,у) = 0, (6)

где к - волновое число, е(г) - относительная диэлектрическая проницаемость слоя.

После подстановки Е(х, у) = §(г)ехр{-г кх ьтб] уравнение (6) сводится к дифференциальному уравнению вида:

^^ + А2[*(*)-8т24т(г) = 0. (7)

¿г

Решая уравнения (7) относительно g(z), при подстановке в него функциональной зависимости е(г) и при условии непрерывности тангенциальных компонент векторов Е и Н, получим выражение для коэффициента отражения в зависимости от глубины:

С8)

аг

В работе рассматривается поверхность с полиномиальным законом распределения диэлектрической проницаемости от глубины покрова с зависимостью с(г) = (аг+Ь)ш при = 4+0,51 (рис. 12). Коэффициенты а и Ь определяются исходя из граничных условий. Значение степени полинома (т), для описания снежных покровов, обычно рассматривается в пределах от 3 до 9. График зависимости модуля коэффициента отражения по мощности (|Я|2) для данного слоя единичной глубины на частоте 4200 МГц представлен на рисунке 13. Как видно из графика, коэффициент отражения слабо зависит от степени полинома.

Для слоя сухого снега с характеристиками е^ = 2+0,0 Н кривые зависимости вещественной и мнимой части диэлектрической проницаемости от глубины будут аналогичны изображенным на рисунке 12, график коэффициента отражения изображен на рисунке 13.

Из графика на рисунке 13 видно, что коэффициент отражения слабо зависит от степени полинома и возрастает с увеличением глубины слоя, чему

соответствует увеличение модуля мнимои части е, что увеличением плотности и удельной проводимости покрова.

объясняется

Ие г.(г). 1тс.(г)

0.5

Рис. 12. Зависимость действительной и мнимой части диэлектрической проницаемости от глубины отражающего слоя при т=3

0.18

0.14

0.06

0.02

1 г м

Рис. 13. Зависимость коэффициента отражения от глубины отражающего слоя для мокрого и сухого снегов при различных ш

Особый интерес представляют поверхности, в которых е(г) принимает одинаковое значение в нескольких точках распределенных по глубине, то есть имеет многозначность (рис. 14). Данная ситуация часто возникает, например, после резкой смены температуры, когда после оттаивания происходит быстрая заморозка поверхности, которая способствует появлению прослойки между двумя слоями с одинаковой диэлектрической проницаемостью. При значении диэлектрической проницаемости в нижней точке слоя е|2=, = 4+0,51 и зависимости е(г) - а*8т(Зяг/4)+Ь (рис. 14) коэффициент отражения по мощности имеет максимум в точке на относительной глубине 0,6 (рис. 15), в которой происходит максимальное отражение падающей волны.

Яе ф). 1т ад

1т(с)

о.-) (».л ч.к I г

Рис. 14. Зависимость диэлектрической проницаемости от глубины отражающего слоя

0.5 1 2, м

Рис. 15. Зависимость коэффициента отражения от глубины отражающего слоя

Несовпадение координат экстремумов зависимости е(г) и |Я[2 объясняется тем, что основная часть отраженного сигнала формируется, не дойдя до пикового значения е(г).

Учитывая глубину максимального коэффициента отражения от глубины отражающего слоя получим следующие результирующие значения ошибок для различных РВ рассматриваемыми поверхностями (табл. 3)

Таблица 3

Погрешность измерения высоты радиовысотомерами _для различных типов поверхностей _

Частота радиовысотомера, МГц, (длина волны X, м) Лед Е = 3+ / Мокрый снег е = 4+ 0,5/ Сухой снег 8 = 2+0,01/

444 (0,67) 2,64 6,33 222,684

2200 (0,15) 0,552 1,32 44,682

4200 (0,07) 0,264 0,66 21,18

Рассмотрение показало, что глубина проникновения сигнала зависит от таких факторов как влажность и рыхлость покрова. Показано, что отраженный сигнал РВ может формироваться как от нижней точки покрова, так и от некоторой точки в середине. Рассчитаны глубины проникновения сигналов различных РВ и ошибки определения высоты. Выявлено, что погрешность определения высоты сопоставима или превышает погрешность РВ, использующих как низкие (444 МГц), так и высокие (4200 МГц) частоты зондирующего сигнала. Поэтому при решении некоторых специальных задач, связанных с необходимостью высокоточного определения малых высот, таких как доставка грузов, проведение спасательных работ с использованием вертолета и т.п., следует учитывать значения полученных дополнительных погрешностей.

Заключение

Диссертация содержит новое решение актуальной научной задачи -повышения достоверности и точности навигационных определений по сигналам СРНС при полетах ВС на малых высотах и в горной местности, а также с использованием РВ при полетах над подстилающими поверхностями с плавно изменяющимися диэлектрическими характеристиками, в частности, снежными и ледовыми покровами.

В результате проведенных исследований получены следующие основные научные результаты и выводы:

1. Получена количественная оценка соотношений сигнал/помеха для различных типов подстилающих поверхностей. Рассчитаны зоны (площади поверхностей), вносящие наибольший вклад в формирование многолучевого сигнала. Рассчитаны величины ошибки определения псевдодальности в условиях многолучевости в зависимости от высоты полета ВС, углов крена и тангажа. Методами полунатурного моделирования получены ошибки

определения координат ВС по СРНС в горной местности в условиях воздействия сигналов одного и двух «ложных спутников». Полученные данные позволяют сделать вывод, что местоположение ВС на малых высотах и в горной местности может определяться со значительной ошибкой. Это приводит к необходимости разработки мер по устранению влияния многолучевости и сигналов «ложных спутников» на показания АП СРНС.

2. Разработана методика распознавания сигналов «ложных спутников» и многолучевости с использованием информации о поляризационных свойствах отраженных сигналов СРНС. Разработаны структура и алгоритм работы приемника СРНС использующего данную методику.

Показано, что данная методика имеет существенное преимущество перед существующими методами распознавания сигналов «ложных спутников», заключающееся в значительном снижении программно-аппаратурных средств для ее реализации. Также показано, что данная методика более эффективна при распознавании сигналов многолучевости по сравнению с существующими методиками, основанными на выявлении момента прихода сигнала методом стробировании корреляционной функции.

3. Дана оценка отражательной способности снежных и ледовых покровов с различными функциональными зависимостями изменения величины диэлектрической проницаемости от глубины. Показано, что формирование отраженного сигнала может происходить как от нижней границы подобного слоя, так и от некоторого уровня в середине слоя. При этом высота, определяемая РВ, не является истиной. Показано, что ошибка определения высоты имеет значение сопоставимое с погрешностью радиовысотомера.

Полученные результаты показывают, что анализ отражательной способности позволяет дать более достоверную оценку точностных характеристик радиовысотомеров над снежными и ледовыми поверхностями, и обосновывают необходимость разработки комплекса мер по устранению ошибки определения высоты над снежными и ледовыми поверхностями.

Основные публикации по теме диссертации

В изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования материалов диссертаций:

1. Гусев А. П. Анализ влияния отраженных сигналов на точность определения координат воздушного судна с использованием СРНС методами . полунатурного моделирования. Научный вестник МГТУ ГА, №99,2006.

2. Гусев А. П. Прохождение связанных компонент поляризованной волны в случае сглаживающего переходного слоя при различных углах падения. Научный вестник МГТУ ГА, №117, 2007.

3. Гусев А. П. Априорная оценка искажения поляризации сигналов СРНС. Научный вестник МГТУ ГА, №157,2009.

4. Гусев А. П. Определения величины слоя с неизвестными диэлектрическими параметрами в задачах измерения малых высот. Научный вестник МГТУ ГА, №160, 2009.

1. Гусев А. П. Оценка точностных характеристик приемника СРНС. Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества». - М.: МГТУГА, 2006.

2. Гусев А. П. Анализ погрешностей при идентификации подстилающих поверхностей с использованием цифровых методов. Тезисы докладов 8-ой Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение». Российское НТОРЭС им. A.C. Попова. М., 2007.

3. Гусев А. П. Обеспечение безопасности полетов путем повышения устойчивости навигационной аппаратуры к многолучевому распространению радиоволн. Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества». - М.: МГТУГА, 2008.

В прочих изданиях

Соискатель

Гусев А. П.

Печать офсетная 1,16 усл.печ.л.

Подписано в печать 08.10.09 г. Формат 60x84/16 Заказ № 880/ Mf

1,25 уч.-изд. л. Тираж 80 экз.

Московский государственный технический университет ГА 125993 Москва, Кронштадтский бульвар, д. 20 Редакционно-издателъский отдел 125493 Москва, ул. Пулковская, д.ба

© Московский государственный технический университет ГА, 2009

Введение.

Глава 1. Анализ погрешностей при определении координат с помощью СРНС и существующих методов их устранения.

1.1. Требования, предъявляемые к навигационному обеспечению ВС при решении различных навигационных задач.

1.2. Основные источники ошибок показаний АП СРНС и методы их устранения.

1.3. Влияние отраженных сигналов на точностные характеристики АП СРНС.

Актуальность работы. При решении ряда задач с использованием воздушных судов (ВС), таких как спасательные операции, доставка грузов, заход на посадку на необорудованные площадки, предъявляются повышенные требования к точности показаний навигационного оборудования, что требует постоянного совершенствования технических средств и систем обеспечения полетов.

Согласно концепции Международной организации гражданской авиации (ICAO) одним из ключевых элементов поддержания жизнеспособности гражданской авиации является обеспечение безопасных, защищенных, эффективных и экологически сбалансированных условий полетов на глобальном, региональном и национальном уровнях [1]. Важнейшими задачами в данном направлении являются выявление и отслеживание существующих факторов риска в сфере безопасности полетов в гражданской авиации, разработка и внедрение в глобальном масштабе эффективных и адекватных мер по устранению возникающих рисков.

В глобальном плане 1С АО на 2005-2010 годы предусматривается эволюция воздушного оборудования, заключающаяся в переходе на навигацию исключительно по спутниковым навигационным системам.

Согласно Постановлению Правительства РФ №365 от 9 июня 2005 года, ВС государственной и гражданской авиации с 1 января 2006 г. необходимо оснащать аппаратурой потребителей (АП) спутниковой радионавигационной системы (СРНС) ГЛОНАСС или совмещенной АП СРНС ГЛОНАСС / GPS, а ВС, имеющие в своем составе АП GPS, с 1 января

2009 г. должны перейти на использование АП СРНС двух навигационных систем ГЛОНАСС / GPS.

По последним требованиям ICAO в практику гражданской авиации внедряется технология зональной навигации (RNAV), представляющая собой метод навигации, позволяющий ВС выполнять полет по любой желаемой траектории в пределах зоны действия радиомаячных навигационных средств или в пределах, определяемых возможностями автономных средств либо комбинации. Внедрение в авиационную практику технологию управления воздушным движением (УВД) с автоматическим зависимым наблюдением (АЗН), суть которой заключается в том, что ВС определяет свое местоположение и скорость с помощью СРНС, рассчитывает положение ВС с предсказанием и передает данную информацию по открытому УКВ радиоканалу всем ВС находящимся рядом и диспетчерской службе, требует повышенной точности и достоверности показаний АП СРНС, так как исходя из их показаний диспетчерами будут даваться указания по управлению движением других ВС. В качестве автономных средств навигации предполагается использование СРНС типа ГЛОНАСС (РФ) и GPS (США), позволяющих реализовать гибкую систему маршрутов. Достоинство и удобство использования СРНС широко рассмотрено в ряде работ [2 - 6]. При этом экипаж ВС может определять свое местоположение в любом месте воздушного пространства с требуемой точностью, что позволяет существенно повысить эффективность его использования.

Ошибка при определении координат с помощью СРНС намного меньше ошибки определения положения с помощью радионавигационных систем с наземным базированием опорных станций (точность определения координат с помощью системы Loran-C 185-463 м в стандартном и 10-50 м в дифференциальном режимах). Информация, передаваемая в сигнале СРНС, позволяет получить расширенный набор навигационных параметров, таких как координаты ВС, вектор его скорости и величину расхождения бортовой шкалы времени (БШВ) ВС относительно шкалы времени СРНС, синхронизированной с системой универсального координированного времени (UTS) [4]. Данный набор параметров обеспечивает экипаж ВС трехмерной навигацией и позволяет решать различные навигационные задачи.

При осуществлении полетов в условиях горной местности использование СРНС имеет ряд специфических особенностей. Существующая АП СРНС ГЛОНАСС/GPS разработана для приема прямого сигиала от каждого из навигационных космических аппаратов (НКА). Однако в точке нахождения приемной антенны помимо прямого сигнала обычно присутствуют сигналы, отраженные от различных местных предметов и горных образований, уровень которых может быть достаточно высоким для восприятия их в качестве истинного сигнала СРНС. Данные вопросы уже поднимались в работах [7-9], в них же были приведены различные методы уменьшения влияния отраженных сигналов на показания АП СРНС.

Система, основанная на использовании сигналов, модулированных псевдослучайной последовательностью (ПСП), к которым относится сигнал СРНС, обладает способностью практически полностью подавлять помехи многолучевого распространения (вызванные отражением сигнала от подстилающей поверхности и местных предметов), задержка которых превосходит длительность 2-х элементов ПСП. Однако эта система не может провести корреляционное разделение прямого и отраженного сигналов, если задержка между ними меньше длительности 2-х элементов. В этом случае система будет отслеживать суммарный сигнал, что вызовет смещение точки слежения и может привести к значительной ошибке измерения времени распространения сигнала от НКА до АП СРНС называемого, после приведения к пространственной мере, псевдодальностью (ПД). Данная ошибка может составлять величину порядка 80 м [9, 11]. Такая ситуация часто возникает при осуществлении захода на посадку, когда, как показывают экспериментальные данные, устойчивые сильные помехи многолучевого распространения могут иметь место на интервалах времени порядка 1 минуты. При наличии большого числа отражений групповой отраженный сигнал может рассматриваться как некий коррелированный шум. Могут возникать несколько устойчивых точек слежения, причем некоторые из них могут соответствовать большим ошибкам [10]. Действие устойчивых сильных помех многолучевого распространения может усугубляться одновременным затенением части орбитальной группировки СРНС затрудняющим выбор оптимального рабочего созвездия НКА.

Ещё одной специфической ситуацией является наличие отраженного при отсутствии прямого сигнала от НКА. Данное явление определяется как появление сигнала от «ложного спутника» [7]. Оно возникает в холмистых и горных районах, где подстилающая поверхность обладает высокой отражательной способностью и отраженный сигнал может быть воспринят наравне с прямыми. Наличие «ложных спутников» и использование их сигналов для определения координат может привести к большой ошибке определения местоположения ВС [12].

Одной из целей диссертационной работы является анализ существующих методов распознавания сигналов «ложных спутников» и поиск более эффективного метода.

В частности представляет интерес проанализировать возможность выявления «ложных спутников» путем использования пространственно-временных характеристик сигнала СРНС, а именно: его поляризационных свойств.

Решение задачи исключения из рабочего созвездия НКА «ложных спутников» позволит повысить безопасность полетов ВС в горных районах путем устранения аномально больших ошибок определения местоположения.

Одним из недостатков СРНС является низкая точность определения высоты полета ВС. В СРНС она ниже, точности определения плановых координат из-за более высокого значения геометрического фактора по высоте, который отражает соотношение точностей определения навигационных и радионавигационных параметров и определяется взаимным расположением НКА и АП СРНС.

Основным недостатком СРНС является то, что высота в ней определяется относительно эллипсоида (принятой математической модели земного шара) и не дает информации о фактической высоте полета ВС относительно подстилающей поверхности. Это определяет целесообразность комплексирования НАП с радиовысотомером, относящимся к наиболее высокоточным средствам определения высоты.

Точное определение высоты особенно актуально при операциях поиска и спасания, терпящих бедствие, доставки грузов и посадки ВС на грунт с неизвестными механическими свойствами (например, лед). Особенно велики ошибки в перечисленных выше операциях определения малых высот при полетах ВС над поверхностями со сложной зависимостью величины диэлектрической проницаемости от глубины отражающего слоя, к которым относятся снежные и ледовые покровы, а также некоторые виды грунтов. В данном случае отраженный сигнал может формироваться не от поверхности, а от некоторой точки в глубине. При этом погрешность определения высоты может быть велика. Решение проблемы учета фактической глубины формирования отраженного сигнала позволит увеличить точность определения высоты.

Рассмотрению круга перечисленных вопросов посвящается диссертационная работа, что определяет актуальность проводимых в ней исследований.

Цель и задачи диссертации. Целью работы является совершенствование методов определения местоположения ВС при полетах в горной местности и на малых высотах.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. Анализ влияния сигналов, отраженных от подстилающей поверхности, на точность определения местоположения ВС по сигналам СРНС.

2. Анализ недостатков существующих методов уменьшения погрешности определения местоположения ВС по сигналам СРНС.

3. Оценка условий и вероятности возникновения «аномальных ошибок» в СРНС, обусловленных влиянием отраженных от подстилающей поверхности сигналов и уменьшения влияния многолучевости на точность показаний АП СРНС.

4. Разработка методики устранения «аномальных» ошибок в СРНС на основе анализа характеристик отраженных сигналов, в частности их поляризационных свойств.

5. Разработка методики оценки погрешности определения высоты полета ВС над поверхностями с плавным изменением диэлектрической проницаемости по высоте.

Основные методы исследований. При решении перечисленных задач в работе использовались прикладные методы теории вероятностей и теории случайных процессов, аппарат линейной алгебры, методы теории оптимального оценивания, статистические методы обработки экспериментальных данных и методы математического моделирования.

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

1. Разработана методика устранения «аномальных» ошибок, обусловленных воздействием на АП СРНС отраженных сигналов, основанная на использовании поляризационного разделения принимаемых сигналов с последующим анализом их уровней.

2. Разработана методика, позволяющая снизить влияние многолучевости на точность определения координат с помощью АП СРНС путем компенсации искажения взаимно-корреляционной функции (ВКФ), используемой для оценки задержки сигнала.

3. Разработана методика, позволяющая оценить погрешность определения малых высот с использованием радиовысотомеров (РВ) при полетах ВС над поверхностями со сложными функциональными зависимостями диэлектрической проницаемости от глубины отражающего слоя, в частности снежными и ледовыми покровами.

Практическая значимость работы состоит в том, что полученные в ней результаты позволяют: повысить надежность и точность навигационных определений по сигналам СРНС при полетах ВС на малых высотах и в горной местности путем совершенствования антенной системы АП СРНС и алгоритмов обработки сигналов; повысить точность определения малых высот с помощью РВ при полетах ВС над подстилающими поверхностями со сложными функциональными зависимостями диэлектрической проницаемости от глубины отражающего слоя, в частности снежными и ледовыми покровами.

Достоверность результатов исследований подтверждается физической обоснованностью математических моделей формирования отраженных СРНС в гористой местности и формирования сигнала РВ, отраженного от поверхностей со сложной многослойной структурой, а также корректным использованием математического аппарата при расчете ошибок определения координат, обусловленных отражениями, и дополнительной погрешности РВ, обусловленной подповерхностным формированием отраженного сигнала.

На защиту выносятся

- методика устранения «аномальных» ошибок определения координат с использованием СРНС, обусловленных отражениями сигнала от подстилающей поверхности;

- методика уменьшения влияния многолучевости на точность показаний АП СРНС,

- методика расчета погрешности показаний радиовысотомеров малых высот, обусловленной подповерхностным формированием отраженного сигнала.

Внедрение результатов. Основные результаты диссертации внедрены в ОАО «Московское конструкторское бюро «Компас» и в Московском государственном техническом университете гражданской авиации, что подтверждено соответствующими актами.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Международных научно-технических конференциях «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества» (МГТУ ГА, 2006 и 2008 г.г.) и на 10-й Международной научно-технической конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение» (РНТОРЭС им. A.C. Попова, М., 2007г.).

Публикация результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в 4 статьях и 3 тезисах докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, изложена на 127 страницах машинописного текста, содержит 54 иллюстрации и 6 таблиц. Список использованных источников содержит 74 наименования.

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

1. Разработана математическая модель расчета максимальной глубины формирования отраженного сигнала различных РВ вглубь различных неоднородных поверхностей типа увлажненных грунтов и песков, снежных и ледовых покровов с различными законами распределения комплексной диэлектрической проницаемости от глубины покрова.

2. Разработана математическая модель расчета коэффициента отражения сигналов РВ для увлажненных грунтов и слоистых покровов с комплексной диэлектрической проницаемостью в виде многозначной функции и полиномиального распределения в зависимости от глубины отражающего слоя. Показано, что для покрова типа увлажненных песков, почв и других видов грунтов, для которых характерна полиномиальная зависимостью е(г), степень полинома слабо влияет на величину коэффициента отражения.

3. Показано, что для современных РВ, работающих на частоте 4200 МГц, ошибка вычисления коэффициента отражения по формулам Френеля по сравнению с вычислениями, учитывающими распределение комплексной диэлектрической проницаемости по глубине, может достигать значения -70%.

4. Показано, что ошибка определения высоты до поверхности покрова с помощью РВ при распределении комплексной диэлектрической проницаемости по глубине в виде многозначной функции, характерной для слоистых снегов или льдов, может быть меньше по сравнению с покровом той же величины, но с полиномиальной зависимостью диэлектрической проницаемости. Однако значение ошибки (величины отражающего слоя) в любом случае остается сравнимым, а в некоторых случаях может превышать значение точности РВ.

На основании результатов, полученных во второй главе, можно сделать следующие выводы, практически важные для автономной навигации:

1. Погрешность определения высоты с помощью РВ над увлажненными грунтами зависит от глубины покрова и типа лежащего под ним грунта. Возможны ситуации полного поглощения отраженного сигнала при большой глубине неоднородного покрова.

2. Ошибка определения высоты полета над слоистыми снежными и ледовыми покровами определяется глубиной залегания точки экстремума (пика), в которой происходит изменение знака производной функции распределения комплексной диэлектрической проницаемости.

Заключение

Диссертация содержит новый метод увеличения точности и помехозащищенности АП СРНС, установленных на ВС при полетах в горной местности и на малых высотах, к воздействию сигналов многолучевости и «ложных спутников» с использованием поляризационных свойств сигналов СРНС, а также с использованием РВ при полетах над подстилающими поверхностями с плавно изменяющейся комплексной диэлектрической проницаемостью, в частности, снежными и ледовыми покровами.

К числу основных результатов работы относятся следующие.

1. Получена количественная оценка соотношений сигнал/помеха для различных типов подстилающих поверхностей. Рассчитаны зоны (площади поверхностей), вносящие наибольший вклад в формирование многолучевого сигнала. Рассчитаны величины ошибки определения псевдодальности в условиях многолучевости в зависимости от высоты полета ВС, углов крена и тангажа. Рассчитана вероятность возникновения сигналов «ложных спутников» при полетах ВС в горной местности на различной высоте. Методами полунатурного моделирования получены значения «аномальных» ошибок определения координат ВС по сигналам СРНС в горной местности в условиях воздействия сигналов одного и двух «ложных спутников».

2. Разработана методика распознавания сигналов «ложных спутников» и многолучевости с использованием информации о поляризационных свойствах отраженных сигналов СРНС. Разработаны структура и алгоритм работы приемника СРНС, использующего данную методику.

3. Дана оценка отражательной способности снежных и ледовых покровов с различными функциональными зависимостями изменения величины диэлектрической проницаемости от глубины. Показано, что формирование отраженного сигнала может происходить как от нижней границы подобного слоя, так и от некоторого уровня в середине слоя. Показано, что ошибка определения высоты имеет значение сопоставимое с погрешностью радиовысотомера.

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

- повысить точность и помехоустойчивость АП СРНС к сигналам многолучевости и «ложных спутников» при полетах ВС в горной местности и на малых высотах путем совершенствования антенной системы АП СРНС и алгоритмов обработки сигналов;

- повысить точность определения малых высот с помощью различных РВ над неоднородными поверхностями типа увлаженных грунтов, снежных и ледовых покровов путем учета глубины формирования отраженного сигнала.

1. Факты об ИКАО. Отделение общественной информации Международной организации гражданской авиации, Monreal, Quebec, Canada, 1995.

2. Шебшаевич В. С., Дмитриев П. П., Иванкевич Н. В. и др. Сетевые спутниковые радионавигационные системы. М., Радио и связь, 1993.

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

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

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

6. Кинкулькин И. Е. Современная аппаратура потребителей спутниковых радионавигационных систем. Радиотехника, 1996, №2.

7. Сафин М. Д. Навигационное обеспечение воздушных судов в горной местности с использованием радионавигационных систем с космическим и наземным базированием. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МИИГА, 2006.

8. Ю.Вейцель А. В. Увеличение точности геодезических измерений с помощью рандомизации ошибки многолучевости в приемнике GPS-ГЛОНАСС. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МГАТУ, 2003г.

9. М. А. Халил. Модель ошибок многолучевого распространения в глобальной системе определения координат. 1978г.

10. Гусев А. П. Анализ влияния отраженных сигналов на точность определения координат воздушного судна с использованием СРНС методами полунатурного моделирования. Научный вестник МГТУ ГА, №99, 2006.

11. Гусев А. П. Прохождение связанных компонент поляризованной волны в случае сглаживающего переходного слоя при различных углах падения. Научный вестник МГТУ ГА, №117, 2007.

12. Гусев А. П. Априорная оценка искажения поляризации сигналов СРНС. Научный вестник МГТУ ГА, №157, 2009.

13. Гусев А. П. Определения величины слоя с неизвестными диэлектрическими параметрами в задачах измерения малых высот. Научный вестник МГТУ ГА, №160, 2009.

14. Российский радионавигационный план. 2008.

15. Beckmann P., Spizzictino A. The scattering of electromagnetic waves from rough surface. Pergamon Press, 1963.18.3убкович С. Г. Статистические характеристики сигналов, отраженных от земной поверхности. М., Советское радио, 1968.

16. Энергетическая характеристика 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. A. GPS multipath error aerospace symposium. Atlantic City, 25-27 Okt. 1978.

19. Жуковский А. П., Оноприенко E. И., Чижов В. И., Теоретические основы радиовысотометрии. М., «Советское радио», 1979.

20. Кондакова Т. Н. Исследование погрешностей позиционирования по сигналам спутниковых радионавигационных систем при различных уровнях возмущенности околоземного космического пространства.

21. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Иркутск 2004.

22. ICD GPS - 200, Revision С. 10.10. 1993г.

23. Копцев A.A. Проблемы организации воздушного движения при внедрении спутниковых систем связи и навигации. Международная научно-техническая конференция «Современные научно-технические проблемы гражданской авиации». Тезисы докладов. М.: МГТУГА, 1999.

24. Семенов А. И. Распространение радиоволн по естественным трассам: учеб. пособие для студентов вузов, обучающихся по направлению подгот. дипломир. специалиста 654200 "Радиотехника", М.: САЙНС-ПРЕСС, 2005г.

25. Руководство по требуемым навигационным характеристикам (RNP). Doc 9613 - AN/937, ICAO, 1994, p. 46.

26. Абросимов В. Н., Алексеева В. И., Гребенко Ю. А. Лукин В. Н., Мищенко И. Н., Новиков И. А. Использование системы NAVSTAR для определения угловой ориентации объектов. // Зарубежная радиоэлектроника 1989, вып. 1.

27. Рубцов В. Д., Калиничев С. С. Способ определения относительных координат двух объектов, патент № 1748516 от 18.12.90.

28. Корчагин В. А. Возможности улучшения условий эксплуатации при использовании ГНСС, функциональных дополнений и систем,основанных на применении технологий CNS/ATM, Санкт-Петербург, 25-26 апреля 2007 г.

29. Гаврилов Ю. А. Исследование пространственной ориентации погрешностей спутниковых определений. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Санкт-Петербург 2003г.

30. Ушаков И. И. Сбои при измерениях фазового и группового запаздывания сигналов GPS во время геомагнитных возмущений. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Иркутск 2004г.

31. Куршин В. В. Математическое и программное обеспечение навигации с использованием систем rJIOHACC/GPS/WAAS. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Москва 2003г.

32. Слепченко П. М. Методы и средства навигационного обеспечения воздушных судов и управления воздушным движением на основе спутниковых технологий. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Москва 2004г.

33. Сосновский А. А. Авиационное радиооборудование. М. 1990г.

34. Витухновский Б. И. Совершенствование методов обнаружения опасных атмосферных возмущений при взлете и посадке воздушных судов и контроля за их акустическим излучением. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва 2003г.

35. Маслов В. Ю. Пространственная обработка поляризованной электромагнитной волны. // Научный вестник МГТУГА, серия радиофизика, №107, 2006г.

36. Болдии В. А. Зарубежные глобальные системы навигации. — М.: Изд-во ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 1986.

37. Веремеенко К.К., Тихонов В.А. Навигационно-посадочный комплекс на основе спутниковой радионавигационной системы // Радиотехника, 1996, №1.

38. Гусев Ю., Лебедев М. Перспективы развития спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС и ее интеграция с зарубежными навигационными средствами // Тр. Международной конференции "Глобальная радионавигация", М., 1995, с. 5.1—5.13.

39. Кинкулькин И. Е. Интегрированная аппаратура потребителей космических радионавигационных систем // Радиотехника, 1996, № 1, с. 86—89.

40. Конрад Д. Анализ ошибок систем навигационных спутников // Управление в космосе. Труды III Межд. симпозиума ИФАК по автоматическому управлению в мирном использовании космического пространства, т. 1, М.: Наука, 1972.

41. Котяшкин С. И. Определение ионосферной задержки сигналов в одночастотной аппаратуре потребителей спутниковой системы навигации NAVSTAJR// Зарубежная радиоэлектроника, 1991, № 1, с. 85—95.

42. Кудрявцев И. В., Клюшников С. Н., Федотов Б. Д. Перспективная авиационная спутниковая аппаратура потребителей, работающая по сигналам систем ГЛОНАСС/GPS // Радионавигация и время, РИРВ, 1992, № 1, с. 60—63.

43. Кутиков В. Ю., Сошин М. П. и др. Перспективная аппаратура дифференциальной геодезической подсистемы спутниковых РНС ГЛОНАСС и GPS // Радионавигация и время, РИРВ, 1992.

44. Салищев В. А., Дворкин В. В., Виноградов А. А., Букреев А. М. Станция мониторинга радионавигационных полей систем ГЛОНАСС-GPS и определения дифференциальных поправок // Радиотехника, 1996, №1, с.89— 93.

45. Шебшаевич В. С., Балов А. В., Химулин В. И. Развитие дифференциального метода навигационных определений в спутниковой РНС ГЛОНАСС // Радионавигация и время, РИРВ, 1992.

46. Brown R.G. GPS RAIM: Calculation of Thresholds and Horizontal Integrity Limit Using Chi-square Methods A Geometric Approach. RTCA Paper No.491-94/SC159-584, Washington, 1994.

47. Chistyakov V., Filatchenkov S., Khimulin V. Parameters of Differential GLONASS/GPS Service on the Base of Russian Marine Radiobeacons // Proc. of DSNS -95, April, 1995.

48. Galileo. An imperative for European Commission Directorate General for Energy and Transport. Information Note, 2002.

49. SARPS ICAO для глобальной спутниковой навигационной системы. 1999 г.

50. Minimum Operational Performance Standarts GPS/WAAS Airborne Equipment. RTCA/DO-229B/C.

51. Межгосударственный авиационный комитет. Квалификационные требования КТ-34-01 «Бортовое оборудование спутниковой навигации», 2001 г.

52. D. Kinkulkin. Fault Detection, Isolation and Correction in GPS/GLONASS Receivers. Ashtech Moscow Development Center. In: ION GPS - 97 Proceedings, p.459.

53. Dr. Young C. Lee. A Performance Analysis of a Tightly Coupled GPS/Inertial System for Two Integrity Monitor Methods, ION GPS 1999, 11-14 September 2001, Salt Lake City, UT.

54. Сурков Д. М. Функциональное диагностирование комплекса спутниковых и инерциальных навигационных систем в условиях полета. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, 2004 г.

55. R.W. Hollander. Working Group Satellites. Resonant Qadrafilar Helical Antenna. 1999-1.

56. Reinaldo Perez. Wireless Communications Design Handbook. Volume 3. Interference into Circuts. California Institute of Technology, 1998.

57. Dual layer resonant quadrifilar helix antenna. US Patent Number: 5,255,005. Oct. 19,1993.

58. Lamensdorf et al. Single and dual band patch/helix antenna arrays. US Patent No.: US 6,720,935 B2. Apr. 13, 2004.64.0hgren et al. Dual frequency quadrifilar helix antenna. US Patent No.: US 6,421,028 Bl. Jul. 16, 2002.

59. Бондарчук И. E. Летная эксплуатация радионавигационного оборудования самолетов. М.: Транспорт, 1978г.в бортовых системах функционального дополнения глобальных навигационных систем. — Радиотехника, 2004, №7, с. 37-42.

60. Ланге Ф. Корреляционная электроника. Пер. с нем. Л., Судпромгиз, 1963.

61. Holahan J. Sou altitude radar altimeter aerospace — «Electronics». 1966, v33,№2.

62. Мухаммед Абд Аль-Вахаб Исмаил. Радиолокационный высотомер с двойной частотной модуляцией. Пер. англ. М., ИЛ, 1957.

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

64. Богородский В. В. Оганесян А. Г. Проникающая радиолокация морских и пресноводных льдов с цифровой обработкой сигналов. Л.: Гидрометеоиздат, 1987.

65. Финкелыптейн М. И. Основы радиолокации. М.: Радио и связь, 1983.

66. Козлов А. И., Логвин А. И., Сарычев В. А. Поляризация радиоволн. М.: Радиотехника, 2007.

67. Худобин В. А., Волков В. В. Радиовысотомеры. М.: МЭИ, 2005.