Содержание к диссертации
Введение 6
Глава I Методы навигации потребителя с использованием спутниковых
систем 23
1.1. Системы координат 23
1.2* Навигационные измерения 26
1.3- Навигационные алгоритмы 31
U.I. Алгоритм на основе одномоментных измерений 32
1.3.2. Алгоритм на основе измерений нарастающего объема 34
Тестирование навигационных алгоритмов 37
Результаты навигационных GPS-определений стационарного и авиационного потребителей 39
Выводы к главе 1 46
Глава 2 Алгоритмы, повышающие точность GPS навигации 47
2.1. Адаптивный навигационный алгоритм в условиях действия
селективного доступа 48
Построение адаптивного навигационного алгоритма 48
Анализ результатов расчетов применения адаптивного навигационного алгоритма 54
2.2. Навигационный алгоритм на основе дальномерных и фазовых
измерений , 56
Постановка задачи 56
Навигационный алгоритм 58
Анализ результатов расчетов 61
2.3. Выводы к главе 2 63
Глава 3 Совместное использование навигационных систем GPS и
ГЛОНАСС 65
3.1. Навигация потребителя на основе комплексирования систем GPS
и ГЛОНАСС 66
3.2. Сравнительный анализ GPS и GPS+ГЛОНАСС навигации 69
3.2Л. GPS+ГЛОНАСС навигация в условиях селективного
доступа к системе GPS 69
3.2.2, GPS+ГЛОНАСС навигация при отсутствии селективного
доступа к системе GPS 72
3.3. ГЛОНАСС навигация 74
Определение скорости потребителя при помощи спутниковой навигации 77
Программная реализация GPS+ГЛОНАСС навигационного алгоритма 83
Выводы к главе 3 89
Глава 4 Широкозонная дифференциальная система WAAS 90
4-1. Основные компоненты системы WAAS 91
4.2. Сообщения системы WAAS 96
WAAS сообщение 0 97
WAAS сообщение 1 91
4-2.3, WAAS сообщения 2 - 5 98
4.24. WAAS сообщение б 98
4-2.5. WAAS сообщение 7 99
WAAS сообщение 9 99
WAAS сообщение 10 99
WAAS сообщение 12 99
WAAS сообщение 17 99
WAAS сообщения 24-25 100
WAAS сообщения 18 и 26 100
WAAS сообщение 27 100
4.2-13. WAAS сообщения 62 и 63 100
4.3. Вычисление HPLwaas и VPLwaas Для навигационного режима
точной посадки 100
4.3.1- Вычисление дисперсии ошибки, компенсируемой быстрой и
долговременной коррекциями 102
Изменение быстрой коррекции 103
Изменение параметра RRC 103
Изменение долговременной коррекции 103
4.3 Л-4. Определение параметра ег 104
4.3.2- Вычисление дисперсии ошибки в измерении дальности,
вносимой ионосферной рефракцией 104
4.3.3. Вычисление дисперсии ошибки в измерении дальности,
вносимой шумами приемника и многолучевостью 105
4.3-4. Вычисление дисперсии ошибки в измерении дальности,
вносимой тропосферной рефракцией 106
4.4. Вычисление HPLwaas и VPLWAas -Для обычных режимов
полета 106
4,5- Выводы к главе 4.. 108
Глава 5 Навигация авиационного потребителя при использовании
спутниковой системы GPS/WAAS 110
5.L Тестирование навигационных алгоритмов с использованием
GPS/WAAS симулятора 111
Сценарий "взлет, полет по маршруту, посадка" 112
Сценарий "разгон, полет с постоянной высотой, торможение" 115
GPS/WAAS навигация в режиме "точной посадки" 119
Тестирование GPS/WAAS алгоритмов в полетах 124
Выводы к главе 5 126
Глава 6 Навигация потребителя при совместном использовании
спутниковых и других дополнительных измерений 128
6.1. Определение положения потребителя при совместном
использовании системы GPS/WAAS и высотомера 129
6.1.1. Алгоритм комплексирования GPS/WAAS и
барометрических данных в задаче навигации 129
6Л .2. Вычисление дисперсии ошибки высотомера 131
6Л .3 * Результаты совместного использования системы
GPS/WAAS и высотомера в тестовых полетах 133
6.2, Определение положения потребителя при совместном
использовании системы ГЛОНАСС/GPS и магнитного датчика 136
6.2Л. Постановка задачи навигации с использованием
спутниковых и угловых измерений 137
6.2-2. Навигационный алгоритм> использующий спутниковые и
угловые измерения 138
6.2.3. Схема имитационного моделирования 141
6.2-4, Анализ результатов расчетов 142
63. Выводы к главе 6 146
Глава 7 Алгоритм автономного контроля целостности данных при
использовании систем GPSAVAAS/ГЛОНАСС 148
Пример неверного GPS/WAAS измерения 149
Алгоритм RAIM для обработки дальномерных измерений 152
Модифицированный RAIM алгоритм 158
Алгоритм RAIM для обработки доплеровских измерений 162
Выводы к главе 7 163
Глава 8 Навигация авиационного потребителя на основе цифровых
карт 165
8Л. Применение цифровых карт в навигации 166
8,2. NaviMap - визуализация положения движущегося объекта при
помощи цифровых карт 168
8.2 Л. Цифровые карты NaviMap 169
8.2,2. Программная реализация NaviMap 170
NaviMap-Main 172
NaviMap - External Data 172
8-2.2.3. NaviMap - Watch Dog 173
NaviMap - Terrain Data 173
NaviMap - Map Preparation 173
8-2.2.6. Запуск программы NaviMap 174
8.23. Окно NaviMap 174
8.2.4, Основные режимы NaviMap 177
8.2.4.1. NaviMap - режим PAN 177
8.2.4.2, NaviMap - режим Cursor 179
8.2A3. NaviMap - режим Map 180
8-2.4-4. NaviMap - режим DF 180
8-2,4,5. NaviMap-режим Manual 182
8-2-4,6- NaviMap-режим Trace 183
8.2-4.7- NaviMap-режим SaR 184
8.2 A8. NaviMap-режим Event 185
8.2.4.9. NaviMap-режим FPL 187
8.2,5. NaviMap — навигация в режиме посадки 188
8.2.5 Л. NaviMap - режим Арр, функция Show 189
8.2.5.2. NaviMap — режим Арр, функция Мар-ь 191
8.2-6. Дополнительные возможности NaviMap 193
Применение компаса при навигации 193
Настройка окна NaviMap 194
8-2.6-3. Вертикальное расположение дисплея 196
8.2.7- GNSS-транспондер 198
8.2.8, Тестирование NaviMap 200
8.2.9. Настроечные параметры NaviMap 201
8.2.10- Демонстрационная версия NaviMap 202
8.3. Выводы к главе 8 202
Выводы по диссертации 204
Литература 208
Приложение 1 Описание программного обеспечения GPS+ГЛОНАСС
навигации 219
Приложение 2 Описание программного обеспечения GPS/WAAS
навигации 279
Приложение 3 Демонстрационные версии программного обеспечения-338
Введение к работе
Развитие космической техники в последние годы дало возможность подняться на новую ступень при решении различного рода задач. Очевидно, что использование системы искусственных спутников Земли (ИСЗ), обладающих однотипной аппаратурой, позволяет решать более сложные задачи, нежели одиночные спутники.
При судовождении, управлении полетом самолета или космического аппарата, геодезии, мониторинге разных движущихся объектов, требуется знание положения потребителя в пространстве, его скорости. Использование инерциальных автономных навигационных систем или наземных радионавигационных систем не может обеспечить определение фазового вектора объекта - потребителя с точностью, которую диктует настоящее время. Сложность решаемых задач требует все более точного навигационного обеспечения.
В 80 — 90-е годы были созданы среднеорбитальные навигационные спутниковые системы (НСС), позволившие удовлетворить существовавшие на то время потребности в качестве глобального навигационного обслуживания. В США - это система GPS (Global Positioning System, развернута в 1993 г.), а в России - ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система, развернута в 1995 г.) [5, 6, 15, 19, 66, 67, 74> 117]. По различным оценкам навигационными спутниковыми системами пользуются от 10 до 12 млн. пользователей (от отдельных пользователей до государственных учреждений и международных организаций) во всем мире [23].
В 1998 года Правительства России и США предоставили возможность использовать системы ГЛОНАСС и GPS международным сообществом на безвозмездной основе [23, 74, 108]. Каждой из этих систем присущи свои достоинства и недостатки, но общим для них является обеспечение глобальной, непрерывной, вне зависимости от времени суток, погодных и иных условий навигации и определять координаты потребителя с достаточно высокой точностью. Открытость систем ГЛОНАСС и GPS позволяет объединить их возможности в единую систему GNSS (Global Navigation Satellite System). Применение технологии навигации на основе современных НСС для различного класса потребителей позволяет решать поставленные задачи на качественно новом уровне [9, 60].
Обе системы являются беззапросными, поэтому навигационные приемники, работающие по GPS- или ГЛОНАСС-сигналам, включают в себя высокоточные часы. Навигационные спутники двух систем излучают на двух частотах L1 и L2 сигналы стандартной и высокой точности, соответственно для гражданских и военных потребителей. Системы GPS и ГЛОНАСС отличаются способом разделения сигналов навигационных
спутников - в GPS используется кодовый способ (С/А для гражданских и P,Y - для военных потребителей), а в ГЛОНАСС применяется частотный. Для GPS системы значение частот L1 и L2 равно: 1575.42 МГц и 1227.6 МГц, а у системы ГЛОНАСС диапазон частот L1 - 1602.5625-1615.5 МГц и L2 - 1246.4375-1256,5 МГц, Длительность суперкадра, содержащего эфемериды и альманах, у системы ГЛОНАСС составляет 2,5 минуты, а у системы GPS - 12.5 минут.
Также необходимо сказать о еще одном существенном различии. В системе GPS для гражданских потребителей может применяться» так называемый, селективный доступ (Selective Availability — SA), система ГЛОНАСС не предполагает применения подобного доступа. Сущность селективного доступа заключается в искусственном зашумлении сигнала» используемого гражданскими потребителями, что приводит к ухудшению точности навигации. Селективный доступ был введен 25 марта 1990 г, [108]. 1 мая 2000г. правительство США отменило действие селективного доступа, при этом была продемонстрирована возможность применения селективного доступа в некоторых районах Земли [26]. Технически это не представляет собой особого труда запрограммировать включение и отключение SA для каждого навигационного спутника. Можно догадываться, что причина отмены действия SA заключается в стремлении помешать планам Европы, в том числе и России, по разработке и совершенствовании собственных навигационных систем. Символично, что отмена действия селективного доступа совпала со временем проведения конференции GNSS-2000, проходившей в Эдинбурге с 1 по 4 мая 2000 г. [133], Также очевидно, что селективный доступ может быть снова введен в действие, например, в некотором районе.
В горизонтальной плоскости гражданский пользователь может определить свое положение с применением системы GPS с точностью до 100 м в условиях действия селективного доступа и с точностью до 20 м без него, а с применением ГЛОНАСС - до 60 м [19, 23, 74, 107, 108], Подобные точностные характеристики удовлетворяют потребностям довольно-таки обширного круга потребителей. Но существует ряд задач, которые требуют более высоких точностей навигации- К этим задачам относятся: взлет, заход на посадку и посадка самолетов, судовождение в прибрежных водах, навигация вертолетов и автомобилей. Так, для захода на посадку самолета по I категории необходимая точность навигации в плоскости - 4-8 м, а по высоте - 2-8 м [69, 171].
Для обеспечения повышенной точности навигации обычно применяется дифференциальная коррекция [78, 148}, Сущность дифференциальной коррекции заключается в передаче соответствующих дифференциальных поправок, В зависимости от того, где и как формируются поправки, дифференциальная коррекция делится на локальную, региональную и широкозонную [74, 78, 92, 148, 168, 169].
Для локального дифференциального режима поправки формируются одной базовой станцией. Обычно дифференциальные поправки передаются по радиоканалу [148, 155]- Существуют также возможность передачи дифференциальных поправок с использованием Интернета [26, 94], Главный недостаток локальной коррекции - потребитель может использовать дифференциальные поправки, находясь не далее, чем 100-200 км от базовой станции [148]. Поэтому для повышения точности навигации для обширного региона необходима целая сеть таких базовых станций. Общепринятое название региональной дифференциальной системы -LAAS (Local Area Augmentation System) [143], В качестве примера можно привести региональную систему береговой охраны США, состоящую из 50 базовых станций [165].
Очевидно, что для обеспечения дифференциального режима для большого региона - например, для стран Европы, США, России -количество базовых станций достигает огромной величины. Поэтому был предложен другой подход [143, 171]. Суть его заключается в том, что передача корректирующих дифференциальных поправок осуществляется при помощи геостационарных спутников. Примерами широкозонных дифференциальных систем являются проходящая тестирование американская система WAAS (Wide Area Augmentation System) и две системы, находящиеся на различных стадиях работ - японская MSAS (Japan's Multifunctional Transport Satellite Space-based Augmentation System) и EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay System) [74, 78, 143, 148, 171]. Полный ввод в эксплуатацию системы WAAS намечен на 2003 г. [162]. Необходимо также отметить и проект Galileo, который предполагает помимо передачи корректирующих поправок и использование собственных средневысотных навигационных спутников [103].
Таким образом, можно констатировать тот факт, что в настоящее время существует объективная потребность в дальнейшем повышении качества навигационного обслуживания. Качество навигационного обслуживания может совершенствоваться по следующим направлениям.
Первое направление - это разработка навигационных GPS-алгоритмов, уменьшающих влияние селективного доступа. Это даст возможность повысить точность в случае применения селективного доступа без привлечения дополнительного оборудования. Существует большое число работ, посвященных исследованию модели селективного доступа [108, 130, 143]. Вопрос же уменьшения влияния селективного доступа на точность навигации практически не исследовался. Возможно, что работы по этому направлению носят закрытый характер в США, В работе [87] решалась задача уменьшения влияния селективного доступа на точность навигации. Но предложенный алгоритм [87] фактически не использует результаты исследования модели селективного доступа, поэтому для его реализации необходимо проводить большой объем
вычислений. Это затрудняет применение алгоритма [87] в качестве навигационного программного обеспечения для GPS - приемников.
Второе направление основывается на совместном использовании дальномерных и фазовых измерений. Большинство навигационных приемников» имеющих одну антенну, проводят помимо дальномерных также и фазовые измерения. Но данные фазовых измерений не используются в навигационном алгоритме, поскольку существует неоднозначность фазовых измерений. Поэтому несомненный интерес представляет, использующий для определения положения одиночной антенны как дальномерные, так и фазовые измерения.
Третье направление связано с совместным использованием навигационных систем GPS и ГЛОНАСС. Комплексирование GPS и ГЛОНАСС систем позволяет увеличить число видимых потребителю навигационных спутников, составляющих рабочее созвездие, и тем самым увеличить число проводимых измерений. Это дает возможность повысить качество навигационного обеспечения. Необходимо заметить, что совместное использование GPS и ГЛОНАСС систем существенно улучшает точность навигации в случае, если в системе GPS применяется селективный доступ.
Различного рода навигационные алгоритмы были рассмотрены в
работах Бажинова ИХ» Бартенева В,А., Болдина В.А., Дишеля В.Д.,
Дмитриева П.П, Иванова Н.Е., Красилыцикова М.Н,5 Малышева В.В.,
Перова А.И., Почукаева В.Н., Романова Л.М., Салищева В.А., Тюбалина
В.В., Харисова В.Н., Чернявского Г.М., Шебшаевича B.C., Ярлыкова М.С.
и ряда других авторов, В этих работах были исследованы вопросы
навигации с использованием систем GPS или ГЛОНАСС. В настоящее
время также существует ряд приемников, использующих для навигации
системы GPS и ГЛОНАСС. В первую очередь необходимо отметить
фирмы Ashtech (Thales Navigation), 3S Navigation и Javad (в настоящее
время вошла в состав Торсоп). Российские фирмы также выпускают
подобные комбинированные приемники - это РНИИ космического
приборостроения, РИ радионавигации и времени, КБ «Компас», КБ
«Навис», НПК «Научный Центр» [74], В основном эти приемники
предназначены для геодезии, морской или автомобильной навигации.
Иными словами, ориентированы на потребителя, движущегося с
небольшой скоростью. В данной диссертационной работе основное
внимание уделяется навигации авиационного потребителя, в том числе в
режиме посадки, что не достаточно исследовано в настоящее время, К
тому же привлечение ГЛОНАСС спутников к GPS навигации увеличивает
надежность навигационного обеспечения, что является очень важным для
авиационного потребителя- Поэтому задача комплексирования GPS и
ГЛОНАСС измерений для авиационного потребителя является актуальной.
Интерес этот объясняется возможностью дальнейшего совершенствования
алгоритмического обеспечения в направлении повышения точности
навигации, в том числе в рамках создания программного обеспечения для проекта GNSS.
Следующее направление в области повышения качества навигационного обслуживания относится к дифференциальной коррекции. И если для локальной дифференциальной коррекции, применяемой уже около десяти лет, существует и различные навигационные станции, и оборудование для передачи дифференциальных поправок, и соответствующее программное обеспечение, то для широкозонных дифференциальных систем в силу новизны является актуальным разработка алгоритмов и программ, обеспечивающих навигацию с использованием GPS/WAAS оборудования и ориентированных, в первую очередь, на авиационного потребителя.
Основными потребителями широкозонных дифференциальных систем являются различные системы мониторинга за наземными системами, как-то; железнодорожные поезда, автобусы, специальные машины [78]. Но в первую очередь система WAAS нужна авиационным потребителям. Собственно, именно авиационные потребители и определяют требования по точности и надежности навигации системы WAAS- Поэтому в настоящей работе основное внимание уделяется разработке алгоритмов и программ для навигационного GPS/WAAS оборудования, применяемого в авиации.
Заметим, что уже выпускаются навигационные GPS/WAAS приемники, в частности, фирмой Javad [119]. Но приемниками Javad не вычисляется оценка точности GPS/WAAS навигации, что очень важно для авиационного потребителя. В WAAS-лаборатории Стэнфордского университета также разрабатывается математическое и программное обеспечение для широкозонных дифференциальных систем [97], Данные продукты предназначены в основном для обычного, но не авиационного, потребителя.
Необходимо отметить следующее направление в области повышения качества навигации, также предполагающее использование дополнительное оборудование. В состав штатного бортового авиационного оборудования входит высотомер. Радиотехнический Комитет по Аэронавтике (Radio Technical Commission for Aeronautics - RTCA) рекомендует его использовать совместно с навигационными спутниковыми измерениями [143]. Разумеется, применение барометрических данных оправдано только в том случае, если эти дополнительные данные могут улучшить точность определения положения самолета. В данной работе также рассматривается вопрос комплексирования GPS/WAAS измерений и данных высотомера, проводится оценка точности навигации. Была предложена и апробирована в тестовых полетах методика совместного использования GPS/WAAS и барометрических измерений.
Для решения задачи спутниковой навигации при недостаточном числе измерений обычно применяются алгоритмы, использующие измерения нарастающего объема, например, фильтр Калмана, Фильтрационные методы предполагают задание модели движения объекта, причем точность вычисления оценки координат потребителя зависит от адекватности применяемой модели движения. Очевидно, что маневрирование потребителя приводит к ухудшению точности оценивания- Для повышения точности навигации обычно используют дополнительные источники информации о координатах потребителя, например, инерциальную навигационную систему [14, 134]. Но стоимость инерциальной навигационной системы высока. В последнее время рядом фирм были разработаны недорогие магнитные датчики, позволяющие определить потребителю свое угловое положение с достаточно высокой точностью [62, 64], Поэтому несомненный интерес представляет возможность определения положения и скорости маневрирующего потребителя на основе ГЛОНАСС/GPS навигации совместно с угловыми измерениями магнитного датчика при числе видимых спутников меньше 4, Для авиационного потребителя очень важен вопрос достоверности данных о координатах потребителя, полученных при помощи спутниковых навигационных измерений. Согласно требованиям к авиационному навигационному оборудованию в состав программного обеспечения навигационного приемника должен входить автономный контроль целостности в приемнике (Receiver Autonomous Integrity Monitoring -RAIM) [ 143, 158]. Основной задачей алгоритма RAIM является обнаружение и исключение из состава измерений потребителя неверное измерение. Неверным измерение может быть по следующим двум причинам. Первая причина - это неисправность самого навигационного спутника. Навигационная спутниковая система осуществляет непрерывный контроль исправности всех компонентов системы» в том числе и передаваемых навигационных данных. Время, необходимое для индикации неисправного спутника системы ГЛОНАСС, составляет около 1 минуты [74], И в течение этого времени потребитель будет использовать этот плохой спутник, не зная об его неисправности. Вторая причина неверного измерения - это плохие условия приема навигационного сигнала со спутника, обусловленные в первую очередь малым углом видимости спутника над горизонтом и многолучевостью, а также шумы в канале приемника. Алгоритм RAIM должен это неверное измерение найти и исключить из состава измерений- Возможность такого подхода основана избыточности проводимых измерений: при использовании системы GPS потребителю видны не менее 6-8 спутников, а минимальное число спутников равно 4 [118]. В данной работе RAIM применяется в навигационных алгоритмах, использующие GPS и барометрические измерения, GPS/TJIOHACC измерения, а также GPS/WAAS измерения.
Определение координат потребителя - это основа для решения задачи управления объектом- При управлении самолетом огромную роль играет человеческий фактор, поскольку именно пилот принимает все решения, а бортовая аппаратура только помогает пилоту- И вопрос о способе предоставления информации имеет большое значение. Спутниковые навигационные приемники определяют положение, как правило, в географической системе координат - широта, долгота, высота. Ориентирование же на местности проходит при помощи бумажных, полетных карт. Разумеется, при известном положении объекта ориентирование по карте представляет собой не очень сложную задачу. Но при все возрастающих скоростях полета, огромном количестве выводимой диагностической и другой информации пилоту довольно-таки затруднительно проводить дополнительные расчеты по карте. Поэтому чтобы повысить безопасность полета необходимо обеспечивать автоматическую навигацию самолета по карте. В англоязычной литературе подобная задача носит название "moving map" [21, 111].
Для программной реализации задачи навигации по карте используются различные электронные карты, в том числе и копии бумажных карт. Аппаратная реализация этой задачи обеспечивается при помощи специализированного бортового компьютера, на экран дисплея которого выводится карта, текущие координаты, скорость, время полета до пункта назначения и другая дополнительная информация.
Очевидно, что до полета, после, а главное, в процессе полета пилот должен иметь возможность управлять работой бортового компьютера. Например, пилот может ознакомиться с картой, ввести полетный маршрут, увеличить или уменьшить масштаб выводимой на экран карты и т.д. И способ интерактивного взаимодействия пилот - компьютер напрямую связан с безопасностью полета. Необходимо, чтобы управление бортовым компьютером было бы максимально комфортным для пилота, И наиболее естественным и удобным способом для управления бортовым компьютером является нажатие пальцем пилота на дисплей.
Ряд фирм (программы "FlightMap", "Preston Peavy") предлагают использовать указательное устройство touch-pen для управления компьютером [111], Такой подход упрощает создание программного обеспечения для компьютера, поскольку позволяет применять Windows-ориентированный интерфейс и соответствующее программное обеспечение. Несколько иное решение предлагается для программы tNavplan" - данная программа ориентирована для использования на компьютерах типа Palmtop [111]. Но указанные подходы не совсем удобны - поскольку вибрация, качка ил\ц. не позволяют точно попасть в нужное место на дисплее. К тому же пилот должен для управления бортовым компьютером держать в руке устройство touch-pen. Очевидно, что данное требование уменьшает безопасность полета.
Поэтому рядом фирм было предложено использовать специализированные навигационные компьютеры. Так, фирма SAS разработала бортовой компьютер М-5000, предназначенный для самолетов [161]. Особенностью данного компьютера является использование в качестве источника информации GNSS-транспондера, который позволяет определять координаты не только самого объекта, но и других объектов, снабженных такими же устройствами. Это дает возможность пилоту видеть на экране компьютера М-5000 положение других самолетов. Фирма Trimble Navigation предлагает систему НТ9100, использующая в качестве источника данных 12-канальный GPS приемник, а также более простой прибор Trimble GPS Map [164]. Фирмой GARMIN также предлагается аналогичные системы - GNS 430, GNS 530 и GPSMAP 195, GPSMAP 295 [106]. Необходимо заметить, что карта, выводимая на экране Trimble GPS Map очень схематична (только некоторые пункты и нет местности). То же самое можно сказать о серии Garmin GPSMAP. Фирма FURUNO разработала специализированный бортовой компьютер "Digital Mapping System", предназначенный для вертолетов [63] и используемая исключительно в Японии, Фирма Transas выпустила систему "Advanced Moving Map System", в России эта система имеет название "АБРИС" [65]. Данная разработка предполагает использование карт Jeppesen, Transas Charts. Российская система "Планшет" использует карты фирмы С-МАР. Все эти бортовые компьютеры для управления используют специальные кнопки, расположенные рядом с дисплеем. При помощи этих кнопок осуществляется перемещение курсора для установки путевых точек, выбор режима функционирования и т.д. Очевидно, что в этом случае процесс управления программой "moving map" будет занимать определенное время. Достаточно упомянуть, например, установку путевой точки или "пролистывание" рабочих режимов.
Поэтому предлагается использовать в бортовом компьютере дисплей, реагирующий на нажатие - touch-screen. Это дает возможность как бы совместить я дисплей и кнопки управления в одном устройстве. Такое решение, на наш взгляд, существенно улучшает эргонометрические свойства бортового компьютера.
Отметим и еще одно преимущество использования дисплея touchscreen. Если пилоту необходимо ввести какую-нибудь информацию, то для этого используется дополнительная клавиатура. В случае применения touch-screen на дисплее отображается виртуальная клавиатура и при ее помощи может осуществляться ввод информации.
Таким образом, бортовой компьютер, использующий дисплей touchscreen, обладает несомненным преимуществом по сравнению с компьютером, оборудованным обычным дисплеем.
Понятно, что применение дисплея touch-screen требует создания программного обеспечения, реализующего соответствующий интерфейс с виртуальными кнопками и окнами, реагирующими на нажатие. Но это
нельзя отнести к недостатку интерфейса touch-screen, скорее это его особенность.
Необходимо также отметить следующий аспект, который требуется учесть при разработке программного обеспечения для бортового компьютера. Это программа функционирует в реальном времени и должна своевременно обрабатывать различные события, как-то: поступление новых данных о положении объекта, ввод пилотом новой команды, проверка работоспособности внешних устройств и т.д. И необходимо, чтобы не было потерь данных и временных задержек при вводе команд, чтении или записи на постоянные носители. Предложенная в работе концепция построения программного обеспечения для бортового компьютера успешно справляется с этими требованиями. Эта концепция основывается на использовании многозадачной операционной системы. Сама же программа состоит из нескольких потоков, выполняемых одновременно и имеющих различные приоритеты.
В ряде случаев цифровые навигационные карты используются не только пилотом, но и другими членами экипажа. И наиболее эффективным решением такой задачи является применение специализированного бортового навигационного комплекса. Данный комплекс состоит из навигационного сервера и нескольких бортовых компьютеров, объединенных в единую сеть, В задачу навигационного сервера входит обеспечение бортовых компьютеров всеми навигационными данными, включающими как информацию о положении и скорости объекта с использованием GPS/ГЛОНАСС систем, так и картографические данные. Передача данных по бортовой компьютерной сети осуществляется по протоколу ТСРЯР.
При отображении на дисплее карты местности могут использоваться как растровые, так и векторные карты. Могут применяться также комбинированные карты. Растровая карта получается при помощи оптического сканирования обычной бумажной карты. Векторная же карта создается, как правило, на основе растровой при помощи дополнительного профаммного обеспечения. Но главное - это необходимость участия человека в процессе векторизации. Поэтому трудоемкость создания векторных карт несравненно выше растровых, К тому же растровые карты, являющиеся копиями обычных карт, уже хорошо знакомы пилотам. Подробно различия этих карт, их преимущества и недостатки будут обсуждаться в 8 главе. Здесь только скажем, что были выбраны комбинированные или смешанные карты, использующие как основу растровые карты, а некоторые элементы - полетный маршрут, поисковая информация — векторные.
В настоящей диссертации разработана программа NaviMap (Navigation and Map), реализующая рассмотренные выше требования к специализированному бортовому навигационному компьютеру.
Необходимо отметить, что фирма Fugawi также использует растровые карты. Но программное обеспечение "Fugawi Navigation Software" предназначено для офисных компьютеров и использует Windows-интерфейс, что затрудняет применение на борту движущегося самолета или вертолета [100].
Программа JEPPView фирмы JEPPESEN обеспечивает пилота или штурмана различной информацией, но она предназначена для офисных компьютеров и использование на бортовом компьютере практически не возможно [120], Правда JEPPESEN планировала создать версию для бортового компьютера. В основном же JEPPView предназначена для предполетной подготовки пилота или штурмана и фактически является компьютерной базой данных о терминальных, взлетно-посадочных картах.
Программа PCVtrack фирмы Trimble использует растровые карты, но данное программное обеспечение опять-таки не предназначено для бортовых компьютеров (а для следящих систем) [164].
Программа NaviMap может использовать для навигации GNSS-транспондер, что дает возможность видеть на экране бортового компьютера все рядом находящиеся объекты. Подобным свойством из всех выше перечисленных программ и приборов обладает только бортовой компьютер М-5000 фирмы SAS.
Разработанная программа NaviMap также как и JEPPView дает возможность просмотреть расположение находящихся рядом аэродромов и ознакомиться с характеристиками взлетно-посадочных полос- Но программа NaviMap, в отличие от программы JEPPView, обладает режимом Approach, что дает возможность осуществить навигацию по карте в реальном времени при посадке самолета. Эта возможность программы NaviMap существенно повышает безопасность пилотирования.
Также для повышения безопасности пилотирования программа NaviMap позволяет использовать дополнительную информацию о высоте над поверхностью Земли. Необходимость использования такой информации объясняется тем, что при помощи спутниковой навигации определяется высота объекта не над поверхностью Земли, а над некоторой моделью Земли, В GPS навигации используется модель Земли WGS-84, в ГЛОНАСС навигации - эллипсоид Красовского. Поэтому для вычисления истинной высоты необходимо знать расстояние между соответствующей точкой, принадлежащей применяемой модели Земли, и реальной высотой над поверхностью Земли, Применение базы данных о реальной высоте поверхности Земли позволяет улучшить качество информационного обеспечения программы NaviMap- Из рассмотренных выше программ только FlightMap обладает возможностью определения текущей высоты. Но данный режим в программе FlightMap доступен только в режиме посадки, что является недостаточным для обеспечения безопасности полета, например, над гористой местностью. Выгодное отличие
программы NaviMap заключается в осуществлении непрерывной
индикации высоты полета над поверхностью Земли,
т nDi-tAQG/GPS/WAA^ Еаршігп>і*чекиґі Магнитный /j\ h\
данные данный квоктав , : \
_.L
f і' - *
і Ячтннна V-—»- Уси ' "і Ьеэгирующнй1:
^ — --' '* '\\ яашзжэтйе '>
і I '
Бевд даитяд з ' База данных и ; і База лаиныч о j аэродрома* І і высоте земш ! І рдаис маякам
Рис. І. Спутниковая навигация авиационного потребителя на основе цифровых карт.
Объединение навигационного приемника* определяли icro положение к скорость потребителя при помощи спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS/WAAS, и бортового компьютера, осуществляющего вывод на дисплей необходимого фрагмента карты и соответствующего положения потребителя на карте, позволяет решить единую задачу -навигация ишребитеяй с использованием ГЛОНАСС/GPS/WAAS измерений и цифровых карт- Структура авиационного бортового комплекса, обеспечивающего спутниковую навигацию на основе цифровых карт, приведена на рис.Ь
Целью работы является решение проблемы разработки
математического и программного обеспечения навигации авиационного
потребителя с использованием спутниковых систем
ПЮНАСС/GPS/WAAS м цифровых карт. В качестве дополнительных измерений ыотут использоваться данные высотомера или мш"ни'шого датчика. Данное программное обеспечение предназначено для бортового навигационного компьютера, установленного на самолете или вертолете и осуществляющего высокоточную навигацию по цифровой карте с использованием спутниковых систем ГЛОІІАСС/GPS/WAAS^
Решаемая в лиооертации проблема осуществлений высокоточной навигации авиационного потребителя по цифровой карте отражает практическую потребность улучшения качества навигационного обслуживания и, следовательно, повышения безопасности пилотирования -
Применение W A AS-данных позволяет определить положение и скорость авиационного потребителя с точностью, необходимой для
совершения посадки в режиме "точная посадка". Также важным для авиационного потребителя является высокая достоверность данных (1 -10"7 /ч полета), обеспечиваемая системой WAAS. В свою очередь, соответствующие цифровые карты и программное обеспечение бортового комплекса также должно обеспечивать навигацию при посадке самолета. Данные возможности программного обеспечения бортового комплекса значительно превосходят требования к авиационному навигационному оборудованию типа "Gamma" [143]- Необходимо заметить, что данный тип оборудования является самым высоким по функциональным возможностям из всех типов авиационного навигационного оборудования с использованием спутниковых систем, рекомендованных RTCA и ICAO.
При создании навигационных алгоритмов используются статистические методы обработки данных, методы оптимальной фильтрации, адаптивные методы обработки информации. При программной реализации математического обеспечения навигационного комплекса, работающего в реальном времени, используются методы объектно-ориентированного программирования и мультизадачность операционных систем Windows, VxWorks, Linux.
Новыми научными результатами в диссертации являются:
1. Математическое и программное обеспечение для бортового
навигационного компьютера, включающего высокоточные
ГЛОНАСС/GPS/WAAS алгоритмы и осуществляющего навигацию
потребителя (самолета, вертолета) по цифровой карте в реальном времени,
в том числе и на этапе посадки. Бортовой компьютер оборудован
дисплеем, реагирующим на нажатие,
2. Навигационные алгоритмы определения положения движущегося
потребителя (самолета, вертолета) на основе проведения дальномерных
GPS/WAAS измерений и с использованием данных высотомера.
Навигационный алгоритм, использующий дальномерные и доплеровские спутниковые измерения и угловые измерения магнитного датчика.
Адаптивный навигационный алгоритм на основе проведения дальномерных GPS измерений с использованием фильтра Калмана в условиях действия селективного доступа.
5 - Навигационный алгоритм, использующий дальномерные и фазовые измерения для приемника с одной антенной.
6. Алгоритм определение скорости потребителя на основе
проведения дальномерных ГЛОНАСС/GPS/WAAS измерений.
7. Алгоритм автономного контроля целостности навигационных
измерений при использовании систем ГЛОНАСС/GPS/WAAS.
Достоверность разработанных алгоритмов и реализованных в виде программного обеспечения подтверждается тестированием в реальных условиях на навигационной аппаратуре с использованием ГЛОНАСС/GPS/WAAS спутниковых измерений, в том числе с
применением дополнительных барометрических данных. Тестирование навигационных алгоритмов проводилось как для стационарных потребителей, так и при проведении тестовых полетов. Корректность работы бортового компьютера, осуществляющего спутниковую навигацию по цифровой карте, помимо тестирования с использованием симуляторов проверялась также в контрольных полетах.
Практическая значимость полученных в работе результатов состоит в;
разработке математического и программного обеспечения определения положения и скорости авиационного потребителя на основе проведения дальномерных и доплеровских ГЛОНАСС/GPS/WAAS измерений;
разработке программного комплекса для бортового компьютера, обеспечивающего в реальном масштабе времени ГЛОНАСС/GPS/WAAS-навигацию самолета или вертолета по цифровой карте, в том числе при совершении посадки;
разработке методики и алгоритма комплексирования GPS/WAAS и барометрических измерений;
разработке навигационного алгоритма совместного использования ГЛОНАСС/GPS дальномерных и фазовых измерений, полученных при помощи одной антенны;
разработке навигационного алгоритма совместного использования ГЛОНАСС/GPS и угловых измерений;
разработке алгоритма автономного контроля целостности ГЛОНАСС/GPS/WAAS измерений и осуществляющего оптимизацию состава измерений.
Результаты, полученные в работе, внедрены и используются при проведении научно-исследовательских работ в ряде ведущих аэрокосмических предприятий России и в высших учебных заведениях: НПО ПМ, РНИИ КП, ЦУП-М, МАИ.
Основные результаты диссертации были представлены и обсуждены на следующих конгрессах, конференциях, чтениях и семинарах: на II Всесоюзном семинаре по методам синтеза и планирования развития структур сложных систем, проводившемся в Ташкенте в 1981 г.; на VII чтениях, посвященных разработке научного наследия и развитию идей Ф-А.Цандера, проводившейся в Москве в 1982 г.; на I и II Всесоюзных конференциях по проблемам управления, проводившихся в Куйбышеве в 1983 и 1985 гг.; на Всесоюзной научно-технической конференции по проблемам динамики управления и безопасности полетов, проводившейся в Риге в 1985 г.; на Гагаринских научных чтениях по космонавтике и авиации, проводившихся в Москве в 1986 г, и 2001 г.; на международной конференции "Бортовые интегрированные комплексы и современные проблемы управления", проводившейся в Яропольце в 1998 г.; на 5, 6 и 7
международных конференциях "Системный анализ и управление космическими комплексами", проводившихся в Евпатории в 2000 г., 2001 г., и 2002 г.; на международной конференции GNSS-2000, проводившейся в Эдинбурге (Великобритания) в 2000 г.; на международном симпозиуме по автоэлектрике и автоэлектронике, проводившемся в Суздале в 2001 г.
Программа NaviMap была представлена на авиационных выставках Фарнборо-96, Берлин-96, Мадрид-97, IAL-98 и др.
Все результаты, приведенные в диссертации, получены лично автором, основные из них опубликованы в 29 работах, в том числе в 24 печатных работах.
На защиту выносятся:
математическое обеспечение навигации авиационного потребителя с использованием дальномерных и доплеровских измерений спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS/WAAS;
программное обеспечение и архитектура построения программного комплекса бортового навигационного компьютера, включающего ГЛОНАСС/GPS/WAAS алгоритмы и осуществляющего навигацию самолета или вертолета по цифровым маршрутным и терминальным картам в реальном масштабе времени;
навигационный алгоритм и программное обеспечение задачи определения положения и скорости авиационного потребителя на основе проведения GPS/WAAS измерений и с использованием данных высотомера;
адаптивный навигационный алгоритм на основе проведения дальномерных GPS измерений с использованием фильтра Калмана в условиях действия селективного доступа;
навигационный алгоритм, использующий ГЛОНАСС/GPS и угловые
измерения;
навигационный алгоритм, использующий ГЛОНАСС/GPS дальномерные и фазовые измерения для приемника с одной антенной;
программное обеспечение для специализированного бортового навигационного комплекса, состоящего из навигационного сервера и нескольких бортовых компьютеров, объединенных в единую сеть и обеспечивающего навигацию по цифровым картам в реальном масштабе времени;
алгоритм автономного контроля целостности навигационных ГЛОНАСС/GPS/WAAS измерений, осуществляющего оптимизацию состава измерений.
Диссертация состоит из введения, восьми глав, выводов, списка литературы из 173 наименований и трех приложений. Общий объем работы составляет 339 страниц, в том числе 108 рисунков и 21 таблицы.
В главе 1 исследуется задача определения положения и скорости потребителя с использованием спутниковой навигационной системы. Цель
проведенного исследования - формализация технической и математической постановок задач спутниковой навигации и определение способов решения. Для отладки навигационных алгоритмов был разработан программно-алпаратный комплекс, позволяющий проводить многократное тестирование и наилучшим образом подбирать настроечные параметры.
В главе 2 решается задача повышения точности навигации с использованием системы GPS. Рассматриваются два направления улучшения точности GPS-навигация. Первое направление связано с использованием системы GPS в условиях действия селективного доступа. Разработан оригинальный алгоритм, уменьшающий влияние селективного доступа и, соответственно, повышающий точность GPS-навигации. Применение адаптивного навигационного алгоритма в условиях селективного доступа улучшает точность GPS-навигации потребителя на несколько десятков метров по сравнению с обычным фильтром Калмана. Применение адаптивного навигационного алгоритма в условиях селективного доступа улучшает точность GPS-навигации потребителя на несколько десятков метров по сравнению с обычным фильтром Калмана. Второе направление основывается на совместном использовании дальномерных и фазовых измерений, полученных приемником с одной антенной. Предложен и апробирован алгоритм, использующий дальномерные и фазовые измерения.
В главе 3 рассматривается задача создания программного комплекса, обеспечивающего навигацию потребителя при совместном использовании навигационных систем GPS и ГЛОНАСС. На основе данного комплекса исследуется целесообразность применения GPS+ГЛОНАСС навигации для улучшения точности определения координат потребителя,
В главе 4 рассматривается задача навигации с использованием широкозонной дифференциальной системы WAAS- Проведен анализ WAAS сообщений, при которых возможен тот или иной режим навигации. На основе рекомендаций RTCA разработан алгоритм оценки точности определения положения потребителя, использующего GPS/WAAS оборудование при различных режимах полета. Определены схемы вычисления корректирующих добавок к навигационным измерениям и ионосферных поправок на основе сообщений WAAS. Алгоритмы GPS/WAAS навигации реализованы в виде соответствующего программного обеспечения.
