Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
1. ГЛАВА 1 Анализ влияния скачков в фазовых измерениях
псевдодальностей на точность определения
координат 17
1 Л.Обзор способов обнаружения скачков фазовых измерений
псевдодальностей 24
1.2. Определение влияния скачков фазовых измерений
псевдодальностей на оценку вектора координат потребителя... 35
1.3 .Выводы по главе и постановка задачи исследования
2. ГЛАВА 2 Причины возникновения скачков фазовых измерений
псевдодальностей 36
2.1 .Вводные замечания 36
2.2.Анализ влияния шумовой помехи на вероятность появления
скачков фазовых измерений псевдодальностей 37
2.3.Исследование влияния интерференции на частоту появления
скачков фазовых измерений псевдодальностей 43
2.4.Исследование влияния ограничений при реализации ПИ на
появление скачков фазовых измерений 48
2.5. Классификация скачков фазовых измерений
псевдодальностей 50
2.6.Выводы по главе 52
3. ГЛАВА 3 Обнаружение и компенсация скачков фазовых
измерений псевдодальностей в наземном оборудовании ЛККС.... 55
3.1 .Вводные замечания 55
3.2.Обнаружение скачков фазовых измерений псевдодальностей
в оборудовании ЛККС 55
3.3.Упрощенный алгоритм обнаружения скачков фазовых
измерений псевдодальностей 64
3.4.Компенсация скачков фазовых измерений псевдодальностей... 65
3.5.Применение алгоритмов обнаружения и компенсации скачков
фазовых измерений псевдодальностей в наземном
оборудовании ЛККС 68
3 .б.Выводы по главе 71
4. ГЛАВА 4 Исследование возможности применения алгоритмов обнаружения и компенсации скачков фазовых измерений псевдодальностей в бортовом оборудовании летательного
аппарата 73
4.1 .Водные замечания 73
4.2.Оценка влияния ошибок, вносимых инерциальной
навигационной системой, на результат обнаружения скачков
фазовых измерений 80
Погрешность инерциальной навигационной системы -смещение нуля акселерометра 82
Погрешность масштаба акселерометра (нелинейность)... 87
Начальное отклонение по уровню платформы 88
4.2.4. Постоянный дрейф гироскопа 89
4.3.Оценка влияния ошибок квантования выходного сигнала
инерциальной навигационной системы на результат
обнаружения скачков фазовых измерений псевдодальностей... 89
4.4. Совместное влияние ошибок инерциальной навигационной
системы и ошибок квантования сигнала инерциальной
навигационной системы на результат обнаружения скачков
фазовых измерений псевдодальностей 93
4.5.Выводы по главе 93
5. ГЛАВА 5 Экспериментальные исследования 95
5.1 .Вводные замечания 95
5.2.Система посадки летательных аппаратов с использованием ГНСС и коррекцией скачков фазовых измерений
псевдодальностей спутниковых приемоизмерителей 95
5.3. Постановка экспериментальных исследований 104
5.4.Результаты экспериментального применения предложенных алгоритмов обнаружения и компенсации скачков фазовых
измерений псевдодальностей 109
Полунатурное моделирование 109
Натурное моделирование 120
5.5.Оценка эффективности применения алгоритмов обнаружения
и компенсации скачков фазовых измерений псевдодальностей 121
5.6.Выводы по главе 130
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 131
ЛИТЕРАТУРА 134
Введение к работе
В настоящее время глобальная навигационная спутниковая система (ГНСС) второго поколения состоит из частично развернутой системы ГЛО-НАСС (Россия) и полностью развернутой системы NAVSTAR (США), которую принято называть GPS (Global Position System) [1-8].
В ГНСС связь между космическим сегментом (подсистемой космических аппаратов) и навигационной аппаратурой потребителя осуществляется по двум радиоканалам с диапазоном частот Ы и L2. В радиоканалах передаются навигационные сигналы стандартной и высокой точности. Сигнал высокой точности предназначен для военного применения странами -владельцами систем спутниковой навигации. Гражданским потребителям доступен сигнал стандартной точности. В системе ГЛОНАСС используются следующие частотные поддиапазоны: 1-1,6 ГГц и 2-1,2 ГГц. Частотные диапазоны системы GPS: L\ = 1,57542ГГц и L2 = 1,2276ГГц. При рассмотрении GPS принято обозначать сигнал стандартной точности, передаваемый на частоте l\ , как сигнал с С/А-кодом (грубым кодом).
На сегодняшний день, наиболее широкое применение ГНСС находит в задачах навигации движущихся объектов (самолетов и вертолетов, морских и речных судов, автомобилей, людей и др.). Однако, требования к точности местоопределения таких объектов в ряде случаев оказываются выше возможностей предоставляемых ГНСС. Так, при заходе на посадку в рамках требований категории 1 международной организации гражданской авиации (ICAO) точность местоопределения с вероятностью 90% должна составлять ±16м в горизонтальной плоскости и ±4м в вертикальной плоскости[9, стр. 3-77].
В худшем случае при работе с навигационными сигналами стандартной точности системы ГЛОНАСС диапазона частот L\, погрешность определения координат составляет: 60м в плане и 100 м по высоте в годы макси-
мальной солнечной активности и 30м в плане и 50м по высоте в годы минимальной солнечной активности. Погрешности (с вероятностью 0,95) навигационных определений в системе GPS составляют 100 м в плане и 156 м по высоте. [4, стр. 39].
В настоящее время для обеспечения посадки воздушных судов гражданской авиации используются специализированные радиотехнические инструментальные системы посадки метрового диапазона радиоволн типа ILS и сантиметрового диапазона - типа MLS.
Общими недостатками таких систем являются: большая мощность излучаемого сигнала влечёт повышенное энергопотребление и риск для персонала; высокие стоимость системы и последующие эксплуатационные расходы; необходимость сложной инженерной подготовки местности в районе установки наземных радиомаяков; один комплект наземного оборудования позволяет обслуживать только одну взлетно-посадочную полосу и только в одном направлении.
Современная концепция технической модернизации средств навигации, предлагаемая Федеральной службой воздушного транспорта России, в 2006 - 2015 гг. предполагает постепенный переход к использованию глобальной навигационной спутниковой системы в качестве основного средства на всех этапах полета вплоть до автоматического захода на посадку летательного аппарата в рамках требований 1-ой категории ICAO при использовании наземных систем функционального дополнения глобальной навигационной спутниковой системы на базе локальных контрольно-корректирующих станций.
Применение глобальной навигационной спутниковой системы с локальными контрольно-корректирующими станциями позволит снизить затраты на обслуживание воздушного движения за счет замены разнотипного оборудования едиными средствами и обеспечения всех этапов полета летательного аппарата, включая категорированный заход на посадку на аэродром. Поскольку эффективная дальность действия локальной контрольно-
7 корректирующей станции составляет десятки километров, то одна локальная контрольно-корректирующая станция позволяет обслуживать все взлетно-посадочные полосы заданного аэропорта.
Невысокая стоимость бортового оборудования глобальной навигационной спутниковой системы и наземного оборудования локальной контрольно-корректирующей станции позволит оснастить множество аэродромов. К настоящему времени в РФ из 1000 аэродромов, находящихся в эксплуатации в гражданской авиации, лишь около 70 оснащены системами инструментальной посадки.
Как видно из приведенных данных, точность местоопределения посредством ГНСС не удовлетворяет авиационным требованиям к точности при заходе на посадку. Требуемая точность определения местоположения может быть достигнута в дифференциальном режиме работы глобальной навигационной спутниковой системы, организуемом за счет данных, получаемых по радиоканалу от локальной контрольно-корректирующей станции, установленной в районе аэропорта. Основным фактором, позволяющим улучшать точность ГНСС за счет дополнения ее дифференциальными подсистемами, является относительное постоянство значительной части погрешностей спутниковой радионавигационной системы в пространстве и времени.
Построение дифференциального режима предполагает наличие как минимум двух спутниковых приемоизмерителей (ПИ). Один измеритель, ПИ1, расположенный на контрольно-корректирующей станции (ККС), имеет точную геодезическую привязку и формирует кодовые коррекции PRC, и скорости их изменения RRCt(k) для каждого /-го спутника наблюдаемого
созвездия:
PRC, {к) = R, (к) - PR, (к) - 1„_„п„ (к), (в. 1)
RRCXk)=PRC'(k)-Cl{k-" (в.2)
8 где PR, - псевдодальность, определенная по измерениям ПИ1, i = l...M, М -
число сопровождаемых ПИ1 спутников, R, (к) - расчетная дальность,
Лг_№жД^) " временная поправка шкалы потребителя относительно шкалы
спутниковой системы, к - временной отсчет, Ts - интервал временной дискретизации.
После расчета дальности до спутника R, (к) (с помощью эфемеридного
расчета) и формирования дифференциальных данных ККС по линии связи передает дифференциальную информацию, а также координаты заданной глиссады и информацию о параметрах ККС в ПИ (ПИ2) потребителя, расположенный на борту летательного аппарата (ЛА). На основе псевдодальностей, определенных по измерениям, формируемых в ПИ2, и полученных дифференциальных данных формируется уточненное измерение псевдодальности PRAj(k)\
PRA, (к) = PRa, (к) + PRC, (к) + (к- k,count)RRC, (к) + ТС-,, (в.З )
где PRa,{к) - измеренная псевдодальность до /-го источника дальности, kzcmmt - дискретный момент времени формирования дифференциальной поправки, тс, - тропосферная коррекция. Тропосферная коррекция і-то спутника рассчитывается в соответствии с [10]:
ТС, = NRh0 10 (1 - ехр(-^)),
д/0.002 + 5Іп2(/,) "
где nr и h0 индекс рефракции и высота по тропосферной шкале, передаваемые наземной станцией, да - высота летательного аппарата над опорной точкой ЛККС, El, - угол возвышения спутника.
Таким образом, дифференциальный режим работы ГНСС позволяет компенсировать ошибки измерения псевдодальности, обусловленные задержкой радиосигнала в нижних слоях атмосферы.
Для решения задач точной навигации в авиации используются локальные дифференциальные подсистемы, которые обычно включают одну ККС, (имеются варианты с несколькими ККС), аппаратуру управления и контроля
9 и средства передачи данных. Зона действия локальной ККС (ЛККС) составляет 50-200км.
В авиации ЛККС ГНСС предназначена для обеспечения всех типов захода на посадку, посадок, вылетов и наземных операций на маршруте и в районе аэродрома.
Международные авиационные требования (ICAO) [9, стр. 3-73] предписывают ЛККС выполнять следующие функции:
обеспечивать локальные поправки к псевдодальности;
обеспечивать данными о ЛККС;
обеспечивать данными для конечного участка точного захода на посадку;
обеспечивать прогнозирование данных об эксплуатационной готовности дальномерного источника;
обеспечивать контроль целостности источников дальномерных измерений ГНСС.
В таблице 1.1 приведены требования к характеристикам сигнала в пространстве в торце взлетно-посадочной полосы (ВПП), к точности и порогам срабатывания сигнализации в горизонтальной и вертикальной плоскостях [9, стр. 3-77]. Наряду с требованиями, приведенными в таблице 1.1, ЛККС должна удовлетворять требованиям к целостности, непрерывности и доступности [9, 11]. Минимальная зона действия ЛККС для обеспечения заходов на посадку изображена на рис. в.1. Относительно точки LTP - посадочного порога ВПП ЛККС должна передавать сигналы в горизонтальном направлении под углом ±35 на расстояние 28км, а последующие 9 км - в горизонтальном направлении в секторе с углом ±10 [9. доп D-25]. В вертикальном направлении зона действия ЛККС лежит в диапазоне 0,3GPА -1,75GPA (GPA - угол глиссады) от точки захвата глиссады (GPIP).
Чтобы удовлетворять указанным требованиям, в состав ЛККС включают несколько (1 = 3-4) приемоизмерителей ГНСС, вычислитель и аппаратуру передачи данных на борт ЛА.
Таблица 1.1 Требования к точности и порогам срабатывания сигнализации в гори-
зонтальной и вертикальной плоскостях
Вид сверху
Конечная траектория захода на посадку
0,3GPA-0,45GPA
Вид сбоку
Рис. в. 1. Минимальная зона действия ЛККС
12 С целью уменьшения случайных ошибок, возникающих в канале измерения псевдодальности как бортового, так и наземных ПИ, в соответствии с требованиями RTCA и ICAO выполняется объединение псевдодальномерных (кодовых) измерений и фазовых измерений псевдодальностей с помощью алгоритма [9, 23], который для одного спутникового приемника может быть записан в следующем виде:
PRfJ(k) = PR/J(k-l) + APl(k) + B(PRl(k)-PRfi,(k-l)-AP,(k))
ЬР,{к) = РХк)-Р,{к-\) ' {В' ]
где PR1t{K) -уточненная псевдодальность, PR,(k) - кодовое измерение, АР,(к)
- разность фазовых измерений на текущем к и предыдущем к -1 временном шаге, / = 1,2,...Л/ - индекс спутника из наблюдаемого созвездия размером М, В - весовой коэффициент фильтра, А: = 1,2,... - дискретное время. Весовой коэффициент фильтра в определяется постоянной времени фильтра Гу (для
бортового и наземного оборудования в авиации 7у = юос) и интервалом временной дискретизации Ts: B = TJT/.
Далее уточненная псевдодальность используется при формировании коррекции PRC,(k) в (в.1). Использование алгоритма (в.4) основано на том,
что случайные ошибки фазовых измерений намного меньше, чем ошибки псевдодальномерных измерений.
На эквивалентной схеме алгоритма (в.2) видно, что измерения псевдодальности PR, (к) подвергаются низкочастотной фильтрации в RC-фильтре с
постоянной времени Tj= 100 с. В то же время, быстрые флюктуации фазовых измерений Р,(к) проходят на выход фильтра без ослабления. При нормальной работе схемы слежения случайные фазовые ошибки не могут существенно повлиять на точность формирования величины PR^(k). Однако скачки фазовых измерений при срывах слежения передаются на выход PR^ik) без ослабления и создают переходный процесс экспоненциальной формы с постоянной времени 100 с.
Этот дефект затем передается в кодовую коррекцию PRC,(k) и уточненное измерение псевдодальности PRAt(k), используемое при определении координат.
Скачки фазовых измерений могут существенно повлиять на точность определения координат летательного аппарата. Следовательно, исследование и разработка методов обнаружения и коррекции скачков фазовых измерений является актуальной задачей.
Целью работыs является исследование и разработка методов обнаружения и коррекции скачков фазовых измерений в системе посадки ЛА с использованием ГНСС.В первой главе приведен обзор существующих методов обнаружения скачков фазовых измерений и перечислены их недостатки. Исследовано влияние скачков фазовых измерений на оценку координат ЛА.
Во второй главе сделан анализ причин появления скачков фазовых измерений. Исследовано влияние шумов тракта ПИ на вероятность появления срывов слежения системы ФАПЧ при работе со спутниковыми сигналами. Приведены результаты экспериментального исследования влияния передатчика системы РСБН на прием спутниковых сигналов и исследование влияния погрешностей реализации программно-аппаратного обеспечения аппаратуры потребителя на фазовые измерения.
В третьей главе предложены методы обнаружения и коррекции скачков фазовых измерений в наземном оборудовании ЛККС на основе отказоустойчивых фильтров.
В четвертой главе исследована возможность применения предложенных методов обнаружения и коррекции скачков фазовых измерений в бортовом оборудовании ЛА при использовании данных инерциальной навигационной системы. Сформулированы требования, предъявляемые к данным, формируемым инерциальной навигационной системой.
В пятой главе выполнены экспериментальные исследования подтверждающие возможность применения предложенных методов обнаружения и компенсации скачков фазовых измерений в наземном оборудовании ЛККС и
15 бортовом оборудовании ЛА. Предложена система посадки летательных аппаратов с использованием.ГНСС и коррекцией скачков фазовых измерений псевдодальностей спутникового ПИ.
На защиту выносятся следующие результаты:
Алгоритм обнаружения скачков фазы в нескольких каналах измерения наземной многоканальной аппаратуры спутниковой системы посадки летательных аппаратов с использованием ГНСС.
Алгоритм обнаружения скачков фазы в бортовом оборудовании летательного аппарата при использовании данных инерциальной навигационной системы для выявления дефектов фазовых измерений.
Алгоритм компенсации скачков фазовых измерений псевдодальности для наземной и бортовой аппаратуры спутниковой системы посадки летательных аппаратов с использованием ГНСС.
Способ посадки летательных аппаратов с использованием ГНСС для системы спутниковой посадки с коррекцией скачков фазовых измерений псевдодальностей спутниковых приемоизмерителей.
Основные положения диссертационной работы представлялись и обсуждались на:
— юбилейной 60-й научно-технической конференции, посвященной
Дню радио, С.-Петербург, СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2005 г.;
61-й научно-технической конференции, посвященной Дню радио, С.Петербург, СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2006 г.;
62-й научно-технической конференции, посвященной Дню радио, С.Петербург, СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2007 г.;
— 9-й конференции молодых ученых "Навигация и управление движе
нием", СПб, ГНЦ ЦНИИ «Электроприбор», 2007 г. По результатам доклада
получен диплом 1 степени за лучший доклад, представленный на секции
«Спутниковые навигационные системы».
— научно-технических конференциях профессорско-
преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2006 - 2008 гг.
Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в пяти работах, среди которых две статьи в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, а также материалы трех докладов научно-технических конференций, перечисленных в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав с выводами и практическими рекомендациями, заключения, изложена на 138 страницах, в том числе 85 страницах машинописного текста, включает 74 рисунка, три таблицы, и содержит список литературы из 44 наименований, среди которых 26 - отечественных и 18 — иностранных авторов.
