Содержание к диссертации
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 5
ВВЕДЕНИЕ 7
1. ПРОБЛЕМЫ КОНТРОЛЯ ЦЕЛОСТНОСТИ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ
ПОСАДКИ 11
ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СПУТНИКОВЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПОСАДКИ И
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ДОПОЛНЕНИЯ СПУТНИКОВЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ НА БАЗЕ ЛОКАЛЬНЫХ КОНТРОЛЬНО-КОРРЕКТИРУЮЩИХ СТАНЦИЙ 17
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ СПУТНИКОВОЙ НАВИГАЦИИ 17
ПОСТРОЕНИЕ ЛОКАЛЬНЫХ КОНТРОЛЬНО-КОРРЕКТИРУЮЩИХ СТАНЦИЙ 19
1.3. БОРТОВАЯ АППАРАТУРА СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ ПОСАДКИ 23
БОРТОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ЗЕМЛЯ-БОРТ 23
КОМПЛЕКС БОРТОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ СИСТЕМЫ СПУТНИКОВОЙ ПОСАДКИ 24
КОМПЛЕКСИРОВАНИЕ НАВИГАЦИОННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ ПРИ ОБРАБОТКЕ ИНФОРМАЦИИ 26
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЦЕЛОСТНОСТИ НАВИГАЦИОННОЙ ИНФОРМАЦИИ ....31
ТРЕБОВАНИЯ К ЦЕЛОСТНОСТИ СИСТЕМ СПУТНИКОВОЙ ПОСАДКИ.36
МЕТОДЫ ОЦЕНКИ И КОНТРОЛЯ ЦЕЛОСТНОСТИ 41
РАСЧЕТ НЕПРЕРЫВНОСТИ РАБОТЫ (НАДЕЖНОСТИ) АППАРАТУРЫ.. 45
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 45
2. МЕТОД ОЦЕНКИ ЦЕЛОСТНОСТИ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ
ПОСАДКИ 47
ОБЩИЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ ЦЕЛОСТНОСТИ 47
РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК НЕПРЕРЫВНОСТИ (НАДЕЖНОСТИ) БОРТОВОЙ АППАРАТУРЫ 48
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГРАФОАНАЛИТИЧЕСКОГО МЕТОДА И МОДЕЛИ ДИСКРЕТНОГО МАРКОВСКОГО ПРОЦЕССА ДЛЯ ОЦЕНКИ ЦЕЛОСТНОСТИ 55
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2 64
3. КОНТРОЛЬ ЦЕЛОСТНОСТИ В БОРТОВОМ ОБОРУДОВАНИИ
СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ ПОСАДКИ 66
КОМПЛЕКСНАЯ ОПТИМАЛЬНО-ИНВАРИАНТНАЯ ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЦЕЛОСТНОСТИ 66
ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АПОСТЕРИОРНОЙ ИНФОРМАЦИИ 68
АЛГОРИТМЫ КОНТРОЛЯ ЦЕЛОСТНОСТИ 78
ОЦЕНКА ДОСТОВЕРНОСТИ ИДЕНТИФИКАЦИИ СОСТОЯНИЙ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АПРИОРНОЙ ИНФОРМАЦИИ 80
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ КОМПЛЕКСИРОВАНИЯ ДЛЯ ПРЕДЛОЖЕННЫХ АЛГОРИТМОВ 82
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3 85
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЦЕЛОСТНОСТИ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ
ПОСАДКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЦИФРОВОГО И ПОЛУНАТУРНОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ 87
ОЦЕНКА ЦЕЛОСТНОСТИ БОРТОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ВАРЬИРОВАНИИ ХАРАКТЕРИСТИК НАДЁЖНОСТИ МОДУЛЕЙ 87
МОДЕЛИРОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ КОНТРОЛЯ ЦЕЛОСТНОСТИ 98
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ 98
ОПИСАНИЕ МОДЕЛЕЙ ОШИБОК ДАТЧИКОВ НАВИГАЦИОННОЙ ИНФОРМАЦИИ 99
МОДЕЛИРОВАНИЕ С УЧЁТОМ ПОЛНОЙ АПРИОРНОЙ ИНФОРМАЦИИ 99
МОДЕЛИРОВАНИЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДАННЫХ КОНТРОЛЬНОГО ОБЛЁТА 107
4.3. ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4 113
5. БОРТОВАЯ АППАРАТУРА СИСТЕМЫ СПУТНИКОВОЙ ПОСАДКИ 117
5.1. РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА БОРТОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ
СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ ПОСАДКИ 117
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ССП И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АППАРАТНО-ПРОГРАММНОГО РЕЗЕРВИРОВАНИЯ 117
ОБЩАЯ СТРУКТУРА БОРТОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ 118
АНАЛИЗ ОБЩЕЙ СТРУКТУРЫ КОМПЛЕКСА БОРТОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ 120
ОПИСАНИЕ БОРТОВОЙ АППАРАТУРЫ 120
НАТУРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ 121
СИСТЕМА РЕГИСТРАЦИИ 125
РЕЗУЛЬТАТЫ НАТУРНЫХ ИСПЫТАНИЙ 126
5.4. ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 5 130
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 131
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 136
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ОПИСАНИЕ АЛГОРИТМА ОЦЕНКИ ЦЕЛОСТНОСТИ И
РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ 150
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ АЛГОРИТМА RAIM 166
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ КОМПЛЕКСНОЙ ОПТИМАЛЬНО-
ИНВАРИАНТНОЙ ОБРАБОТКИ 169
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМОВ КОНТРОЛЯ ЦЕЛОСТНОСТИ
В ПРОГРАММНОМ ОБЕСПЕЧЕНИИ БМС 172
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
AAIM - Airborne Autonomous Integrity Monitoring - бортовой автономный контроль целостности
ABAS - Airborne Based Augmentation System — бортовая система функционального дополнения
GBAS - Ground Based Augmentation System - система наземного функционального дополнения
GLS - GNSS Landing System (спутниковая система посадки) GNSS - Global Navigation Satellite System (глобальная спутниковая навигационная система)
ICAO - International Civil Aviation Organization
ILS - Instrumental Landing System (инструментальная система посадки) MLS - Microwave Landing System (микроволновая система посадки) NPA - Non Precision Approach (неточный заход на посадку) RAIM - Receiver Autonomous Integrity Monitoring - автономный контроль целостности в приёмнике
RNP - Required Navigation Performance - требуемые навигационные характеристики
АП - аппаратура пользователя БМС - бортовая многофункциональная система ВПП - взлётно-посадочная полоса ВС - воздушное судно
ГНСС - глобальная навигационная спутниковая система ЖКС - локальная контрольно-корректирующая станция КИК - контрольно-измерительный комплекс НАП - навигационная аппаратура пользователя НИСЗ - навигационный искусственный спутник Земли ПК - персональный компьютер ППК - переносной персональный компьютер
РТИ - радиотехнический измеритель
РЭА - радиоэлектронная аппаратура
САУ - система автоматического управления
СКО - среднеквадратическое отклонение
СНС - спутниковая навигационная система
СРНС - спутниковая радиотехническая навигационная система
ССП - спутниковая система посадки
УКВ - ультракороткие волны
ФАА - федеральное агентство авиации (FAA) (США)
ФРС - фильтр разностного сигнала
Введение к работе
Для обеспечения безопасности полета ВС высокие требования предъявляются к целостности навигационной информации [40,41]. Качество контроля целостности характеризует способность системы обнаруживать свое неправильное функционирование и своевременно исключать возможность использования ее данных пользователями при недопустимых отклонениях рабочих характеристик. Фактически, когда речь идет о целостности системы ГНСС, основной информацией являются данные о состоянии спутников, их неисправностях, о возможных искажениях сигналов в каналах передачи информации, об отказах и недопустимых ошибках оценок навигационных параметров в бортовой аппаратуре и рисках использования недостоверной информации.
В настоящее время ведутся работы по улучшению характеристик непрерывности и целостности систем ГНСС, особенно в части повышения достоверности контроля их работоспособности и сокращения времени оповещения объекта о целостности системы. Возможны два варианта контроля целостности системы, основанные на автономных и внешних методах контроля.
Автономные методы предполагают использование избыточной информации навигационных датчиков потребителя, которую они получают, принимая навигационные сигналы от большего, чем минимально необходимо, числа навигационных спутников, а также других измерителей, имеющихся на борту ВС. С помощью специальных алгоритмов автономного контроля целостности (RAIM) [13] можно обнаружить нарушения целостности информации [1, 4, 11, 21, 114, 118]. К сожалению, RAM позволяет обнаружить отказы только при больших погрешностях измерений псевдодальностей, в несколько раз превышающих среднеквадратическое отклонение (СКО) в штатной ситуации [62].
Усложнённые алгоритмы автономного контроля целостности позволяют повысить достоверность контроля, однако такие алгоритмы подразумевают накопление достаточно большого объёма информации и обработку в инерционном режиме, т.е. с учётом предыстории [41]. Такие алгоритмы весьма требовательны к ресурсам бортовой аппаратуры и достаточно чувствительны к модели сигнала; кроме того, они не инвариантны к полезному сигналу.
Внешние методы основаны на создании сети станций для обеспечения контроля работоспособности навигационных спутников в режиме реального времени. В этом случае узел сети - региональный вычислительный центр -осуществляет обработку данных, получаемых от наземных станций слежения, и формирует сообщение о целостности системы. Процедура внешнего контроля является более сложной, поскольку требует создания наземной сети. Однако такое решение задачи целостности позволяет получить более полную информацию о системе, которой принципиально не может располагать отдельный потребитель при автономном контроле целостности.
Таким образом, для обеспечения требуемых параметров надёжности работы системы, необходимо применять комплексный подход к обработке навигационной информации, используя имеющуюся информационную избыточность, чем можно обеспечить уровень контроля, который в сочетании с аппаратурной надёжностью и позволит оставаться в рамках международных требований к спутниковым системам посадки (ССП).
Целью диссертационной работы является разработка и исследование методов оценки и алгоритмов контроля целостности бортового навигационного оборудования спутниковой системы посадки (ССП), с учётом надёжностных и точностных характеристик аппаратуры и параметров системы технического обслуживания.
Научная новизна состоит в комплексном подходе к оценке и контролю целостности бортового оборудования ССП. Отличительным свойством предложенных методов и алгоритмов является учёт аппаратурной надёжно-
сти наравне с информационной целостностью, определяемой на основе комплексной оптимально-инвариантной обработки с использованием данных от барометрического высотомера и спутниковой навигационной системы. Другой характерной особенностью предлагаемого метода оценки целостности является использование графо-аналитического подхода на основе представления событий в виде пуассоновских потоков.
В первой главе диссертации проведён обзор существующих определений и трактовок термина «целостность» применительно к навигационной информации, рассмотрены элементы глобальной навигационной спутниковой системы посадки и проанализировано их влияние на целостность. Также проанализированы требования к целостности бортового оборудования спутников, проведён обзор принципов контроля целостности, методов оценки целостности и способов расчёта надёжности аппаратуры.
Во второй главе разработан метод оценки целостности бортового оборудования ССП на основе графо-аналитического метода с учётом параметров точности, надёжности и технического обслуживания. Рассмотрены структуры бортового оборудования ССП и проведены расчёты их надёжности, предложена структура, удовлетворяющая требованиям к непрерывности бортового оборудования ССП.
В третьей главе разработаны алгоритмы контроля целостности бортового оборудования ССП с учётом параметров надёжности измерителей на основе комплексной оптимально-инвариантной обработки сигналов. Предложены критерии выборочной эффективности алгоритмов на основе оценки эффективности фильтрации ошибок измерений и достоверности идентификации состояния измерителей.
В четвёртой главе проведено численное моделирование метода оценки целостности и алгоритмов контроля, разработанных в главах 2 и 3 соответственно, подтверждающие их эффективность.
В пятой главе приведены результаты экспериментов, натурных и лётных испытаний. Рассмотрена структура бортового оборудования ССП, раз-
работанная на основе структуры, предложенной в главе 2. Проведён анализ результатов регистрации лётных испытаний бортового оборудования ССП.
В приложении 1 приведён алгоритм численного моделирования метода оценки целостности бортового оборудования ССП, реализованный в среде Mathcad.
В приложении 2 приведён алгоритм численного моделирования автономного контроля целостности RAIM, реализованный в среде Matlab.
В приложении 3 приведён алгоритм численного моделирования алгоритмов контроля целостности и оценки их эффективности.
В приложении 4 приведена реализация алгоритмов контроля целостности на языке С.
На защиту выносятся следующие положения:
метод оценки целостности спутниковой системы посадки на основе графо-аналитического метода, с учётом параметров надёжности, точности и технического обслуживания бортового оборудования;
методика построения бортового комплекса, удовлетворяющего требованиям к целостности ССП;
-способ контроля целостности на основе комплексной оптимально-инвариантной обработки информации с учётом аппаратурной надёжности;
алгоритмы контроля целостности для бортового оборудования ССП с использованием фильтра разностного сигнала, на основе представления погрешностей измерителей в виде марковских процессов первого порядка;
способ выбора алгоритма контроля целостности для реализации в бортовой аппаратуре ССП.
