Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ средств навигационного обеспечения полетов и управления вс в высоких широтах. Обоснование критерия оценки качества работы комплекса этих средств 20
1.1. Анализ средств навигационного обеспечения полетов и управления ВС в высоких широтах 20
1.1.1. Анализ средств навигации и посадки, обеспечивающих полеты ВС в высоких широтах 20
1.1.2. Анализ средств связи, обеспечивающих навигацию, посадку, наблюдение и управление ВС в высоких широтах 24
1.1.3. Анализ средств наблюдения и управления ВС, обеспечивающих полеты в высоких широтах 26
1.2. Анализ факторов, влияющих на качество работы средств навигационного обеспечения полетов и управления ВС в высоких широтах 29
1.2.1. Анализ влияния подстилающей поверхности Земли и ионосферы на качество навигационного обеспечения полетов и управления ВС в высоких широтах 29
1.2.2. Анализ влияния полярной тропосферы на качество навигационного обеспечения полетов и управления ВС в высоких широтах 41
1.3. Обоснование критерия оценки качества работы комплекса средств навигационного обеспечения полетов и управления ВС в высоких широтах 43
1.4. Постановка задачи исследования 53
2. Разработка методов построения комплекса средств навигационного обеспечения полетов и управления вс в высоких широтах 54
2.1. Разработка методов построения комплекса средств навигации и посадки ВС, зксшіуатирующихся в высоких широтах 54
2.1.1. Оценка рабочей зоны бортовых автоматических радиокомпасов КМВ и ГКМВ - диапазонов волн в высоких широтах 54
2.1.2. Оценка рабочей зоны бортовых автоматических радиокомпасов УКВ -диапазона волн в высоких широтах 59
2.1.3. Повышение качества работы бортовых автоматических радиокомпасов, эксплуатирующихся в высоких широтах 66
2.1.4. Оценка рабочих зон спутниковых навигационных систем «ГЛОНАСС», «GPS» и методы построения интегрированных ПИ с АРК 75
2.2. Разработка методов построения воздушной связи, обеспечивающих работу средств наблюдения и управления ВС в высоких широтах 82
2.2.1. Оценка рабочей зоны средств воздушной связи ДКМВ, УКВ, КМВ и ГКМВ - диапазонов волн в высоких широтах 82
2.2.2. Повышение качества работы средств воздушной связи ДКМВ, УКВ, КМВ и ГКМВ -диапазонов волн в высоких широтах 95
2.3.. Повышение качества работы средств наблюдения и управления ВС в высоких широтах 98
2.4. Разработка принципов создания комплекса средств навигационного обеспечения полетов и управления ВС в высоких широтах 99
2.5. Обоснование критерия оценки качества работы комплекса при подготовке к работе 101
ВЫВОДЫ 105
3. Обоснование структуры комплекса средств навига ционного обеспечения полетов и управления вс для высоких широт 107
3.1. Обоснование методов повышения качества работы средств навигационного обеспечения полетов и управления ВС в высоких широтах... 107
3.2. Обоснование структуры комплекса средств навигации, посадки, связи, наблюдения и управления ВС для высоких широт 110
3.2.1 Бортовое оборудования комплекса средств навигации, посадки, связи, наблюдения и управления ВС для высоких широт 111
3.2.2 Наземное оборудование комплекса средств навигации, посадки, связи, наблюдения и управления ВС в высоких широтах 113
3.2.3 Технические возможности комплекса средств навигации, посадки, связи, наблюдения и управления ВС, эксплуатирующихся в условиях неоднородностей высоких широт 115
3.3. Обоснование критерия оценки качества работы комплекса при выполнении
оперативных задач 129
ВЫВОДЫ 134
4. Разработка методики наземных и летных испытаний. результаты экспериментов при полетах вс в высоких широтах 135
4.1. Основные принципы организации и проведения наземных и летных испытаний в высоких широтах 135
4.2. Экспериментальная оценка влияния подстилающей поверхности Земли на средства навигационного обеспечения полетов и управления ВС КМВ и ГКМВ - диапазонов волн в высоких широтах 137
4.2.1 Оценка влияния подстилающей поверхности тундры на зону действия средств навигации, посадки и связи ВС КМВ и ГКМВ - диапазонов волн 137
4.2.2. Оценка рабочих зон средств связи и АРК КМВ и ГКМВ - диапазонов волн над тундрой и акваторией Северного Ледовитого океана 144
4.3. Экспериментальная оценка зоны действия средств навигационного
обеспечения полетов и управления ВС ДКМВ - диапазона волн 150
4.3.1. Оценка зоны действия средств связи ДКМВ - диапазона волн для субполярных радиолиний 150
4.3.2. Оценка зоны действия средств связи ДКМВ - диапазона волн в субполярной зоне и средних широтах 157
4.3.3. Оценка зоны действия средств связи ДКМВ - диапазона волн над Северным Ледовитым океаном, включая Северный полюс 163
4.3.4. Оценка влияния ионосферы на спутниковые ПИ «ГЛОНАСС - GPS» в
полярных районах 174
4.4. Экспериментальная оценка влияния тропосферы на зону действия средств навигационного обеспечения полетов и управления ВС УКВ -
диапазона волн в высоких широтах 182
4.4.1. Оценка влияния рефракции УКВ - радиоволн на зону действия средств навигации и связи на субарктических тропосферных трассах 182
4.4.2. Оценка влияния тропосферного сигнала УКВ - диапазона волн на зону действия средств навигации и связи на субарктических трассах 192
4.5. Экспериментальная проверка методов разделения многолучевого сигнала средств навигации в КМВ, ГКМВ, ДКМВ и УКВ - диапазонах волн.. 200
4.6. Результаты наземных и летных испытаний средств навигации, связи, наблюдения и управления ВС в высоких широтах 2 06
4.6.1. Результаты наземных и летных испытаний средств навигации и посадки 207
4.6.2. Результаты наземных и летных экспериментов средств связи, обеспечивающих навигационное обеспечение полетов и управление ВС 224
4.6.3 Результаты наземных и летных испытаний средств наблюдения и управления ВС в высоких широтах 232
4.6.4 Результаты экспериментов по обоснованию принципов построения комплекса средств навигации, посадки, наблюдения и управления ВС в высоких широтах 234
4.7. Процессы эволюции состояний комплекса средств навигации, посадки, связи наблюдения и управления ВС и методы их идентификации 241
Выводы 246
5. Аппаратурное и технологическое обеспечение разработанных методов 248
5.1.Средства навигационного обеспечения полетов и управления ВС в высоких широтах 248
5.1.1. Бортовые автоматические радиокомпасы с цифровой обработкой сигналов 248
5.1.2. Многофункциональный интегрированный спутниковый навигационный приемоиндикатор МРК-18АМ 252
5.1.3. Многофункциональный интегрированный спутниковый навигационный приемоиндикатор МРК-22М 256
5.1.4. Адаптивная ДКМВ - радиосвязь и аппаратура центра расчета прогноза рабочих частот 262
5.1.5. Средства наблюдения и управления ВС, обеспечивающие полеты в высоких широтах 264
5.2. Технологии навигационного обеспечения полетов и управления ВС в высоких широтах с использованием предложенных методов 266
Выводы 268
Заключение 269
Литература
- Анализ средств навигации и посадки, обеспечивающих полеты ВС в высоких широтах
- Оценка рабочей зоны бортовых автоматических радиокомпасов КМВ и ГКМВ - диапазонов волн в высоких широтах
- Обоснование структуры комплекса средств навигации, посадки, связи, наблюдения и управления ВС для высоких широт
- Экспериментальная оценка влияния подстилающей поверхности Земли на средства навигационного обеспечения полетов и управления ВС КМВ и ГКМВ - диапазонов волн в высоких широтах
Введение к работе
Средства навигационного обеспечения полетов и управления воздушными судами (ВС), находящиеся в настоящее время на эксплуатации в гражданской авиации в высоких широтах, не в полной мере обеспечивают требуемое качество работы при воздействии на них специфических для этих широт неоднородностеи ионосферы, тропосферы и подстилающих слоев поверхности Земли.
Появление отказов средств навигационного обеспечения полетов и управления ВС при воздействии на эти устройства различного вида неоднородностеи снижают безопасность полетов. В частности, ухудшение точностных характеристик навигационных систем, потеря контроля местонахождения и управления ВС может явиться причиной авиационных происшествий при сближении воздушных судов на трассах полетов и при выполнении ВС захода на посадку в сложных метеоусловиях на аэродромы, расположенные на островах или льдинах Северного Ледовитого океана, при отсутствии радиолокационного контроля (РЛК).
Отсутствие непрерывного радиолокационного наблюдения за движением ВС, выполняющих полеты на высокоширотных трассах над акваториями океанов и морей, труднодоступными горными районами, островами, ставит перед мировым сообществом задачу создания в этих районах новых средств навигационного обеспечения полетов и управления воздушными судами, которые должны обеспечивать требуемый уровень безопасности полетов ВС.
Создание современных адаптивных бортовых и наземных систем комплекса средств навигации, посадки, воздушной связи, наблюдения и управления ВС, направленных на повышение качества средств навигационного обеспечения полетов и управления ВС в высоких широтах, является актуальной задачей обеспечения безопасности и регулярности полетов ВС в этих регионах.
Данное обстоятельство особенно актуально в связи с продолжением освоения природных ресурсов Северного Ледовитого океана мировым сообществом, проведением ледовой разведки Северного морского пути, открытием высокоширотных полярных станций и освоением международных кроссполярных трасс, часть которых пролегает вне зоны радиолокационного контроля в районе Северного полюса и горными, труднодоступными районами Сибири.
Решение Правительства России об открытии этих воздушных трасс и освоении природных ресурсов Северного морского бассейна поставило серьезные проблемы по навигационному обеспечению полетов и управлению ВС в высоких широтах. Решение этой проблемы невозможно без научно-исследовательских работ (НИР), направленных на изучение физической структуры полярной ионосферы, тропосферы, подстилающей поверхности тундры, льдов Северного Ледовитого океана с целью разработки и создания новых систем навигационного обеспечения полетов и управления ВС на открываемых трассах.
Основные научно-исследовательские и экспериментальные работы по заказам Министерства обороны (МО) и Министерства транспорта (МТ) России, с участием автора диссертации, выполнялись с 1986 г. в акватории Северного Ледовитого и Тихого океанов научно-исследовательским институтом дальней радиосвязи (НИИДАР), Николаевским филиалом НИИДАР, Государственным научно-исследовательским институтом (ГосНИИ) «Аэронавигация» и Актюбинским высшим летным училищем гражданской авиации. Полученные результаты геофизического состояния полярной ионосферы, тропосферы, подстилающей поверхности Земли, льдов Северного морского бассейна использовались в интересах войск ПВО, ВВС Министерства обороны РФ и Федеральной авиационной службы (ФАС) для решения задач специального назначения. Результаты работ нашли отражение в научных отчетах и трудах [71 - 95; 108 - 109; 111 - 112; 114 - 115; 123; 198 - 230].
Проведенные расчеты [114] показали, что кратчайшие по протяженности трассы, соединяющие Северную Америку с Юго-Восточной Азией через Северный Ледовитый океан, Восточную Сибирь и Дальневосточное побережье России, не имеют соответствующих средств обеспечения безопасности полетов ВС. Анализ находящихся в эксплуатации бортовых и наземных средств навигации, посадки, связи, наблюдения и управления ВС показал, что эти системы не в полной мере соответствуют требованиям, предъявляемым к аппаратуре для выполнения международных полетов. Особенно остро встал вопрос о выполнении полетов над Северным Ледовитым и Тихим океанами, просторами тундры и горными, труднодоступными прибрежными районами Красноярского края, Якутии, Чукотки и Камчатки, где отсутствует сплошной РЛК. Об этом свидетельствуют авария самолета Ан-12 на острове Среднем [155].
Для решения этой сложной проблемы, с участием автора диссертации, были выполнены НИР и опытно-конструкторские работы (ОКР), направленные на исследования высокоширотной ионосферы, подстилающей поверхности тундры, льдов Северного Ледовитого океана, тропосферы. Кроме этого, были исследованы возможности использования спутниковых систем связи (ССС) и навигации в высоких широтах в интересах решения задач наблюдения, посадки и управления ВС [108-109; 112; 114; 115; 118; 119; 123; 193- 197].
К этим работам были привлечены научно-исследовательские институты РАН, МО, МТ, в том числе, Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН (г. Москва), Институт прикладной геофизики (г. Москва), Институт ионосферы (г. Алма-Ата), ЛИИ имени М. М, Громова (г. Жуковский), ГосНИИ «Аэронавигация» (г. Москва). Отдел физических проблем Бурятского научного центра СО РАН (г. Улан-Удэ), Национальный авиационный университет (г. Киев), Институт космофизических исследований и аэрономии (г. Якутск), Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева (г. Красноярск), ФГУП НЛП «Радиосвязь» (г. Красноярск), Красноярский государственный технический университет (г. Красноярск), а также зарубежные научно-исследовательские институты из Канады и США.
Проведенный диссертантом анализ литературных источников показал, что проблемой повышения качества работы средств навигационного обеспечения полетами и управления ВС в России и за рубежом с 30-х г. занимались как отдельные авторы, так и целые научные коллективы и организации. Наиболее важные результаты принадлежат таким ученым, как Я. Л. Альперт, В. А. Алебастров, Э. Л. Афраймович, Ю. Б. Башкуев, Д. В. Благовещенский, В. Я. Бондаренко, В. М. Владимиров, А. В. Гребенников, Д. П. Дарижапов, М. П., Демидов Ю. М., Долуханов, Г. А. Жеребцов, А. И. Логвин, В. П. Мельчинов, А. В. Михайлов, В. И. Мокшанов, В. И. Кокорин, А. И. Козлов, В. Я. Кушельман, И. Д. Козин, В. С. Новиков, П. В. Олянюк, Г. М. Рагзин, В. Д. Рубцов, В. А. Сапчук, В. Ф. Смирнов, В. В. Югай, Э. И. Шустов, В. С. Якупов и др.
Исходя из существующей проблемы, в диссертационной работе содержится решение важной народнохозяйственной задачи по разработке и обоснованию методов и средств навигационного обеспечения полетов и управления ВС в высоких широтах.
Целью диссертационной работы является разработка методов и средств навигационного обеспечения полетов и управления ВС в высоких широтах, эксплуатирующихся в условиях влияния на качество их функционирования неоднородностей ионосферы, тропосферы и подстилающей поверхности Земли при отсутствии радиолокационного контроля.
Поставленная цель достигается путем решения следующих основных задач:
1. Анализа средств навигационного обеспечения полетов и управления ВС и
обоснования критерия оценки качества работы комплекса этих средств в высоких
широтах.
2. Разработки методов построения комплекса средств навигационного
обеспечения полетов и управления ВС в высоких широтах при работе этих
средств в условиях неоднородностей ионосферы, тропосферы и подстилающей
поверхности Земли.
Обоснования структуры комплекса средств навигационного обеспечения полетов и управления ВС для высоких широт.
Разработки методики наземных и летных испытаний средств навигации, посадки, связи, наблюдения и управления ВС в высокоширотных, океанических, труднодоступных районах и проведения экспериментов на ВС.
Внедрения разработанных методов в технические средства навигации, посадки, связи, наблюдения и управления ВС, эксплуатирующихся в высоких широтах.
6. Обоснования и внедрения технологии использования разработанных
методов в средства навигационного обеспечения полетов и управления ВС в
высоких широтах.
Методы исследования. В работе использованы методы математической статистики, теории статистических решений, теории вероятностей, аналитические методы синтеза и анализа систем ВС, методы летных и наземных экспериментов.
Научная новизна работы состоит в том, что впервые:
1. Решена научная проблема обоснования принципов построения комплексной системы средств навигации, посадки, связи, наблюдения и управления ВС, выполняющих полеты в высоких широтах при отсутствии радиолокационного контроля, в условиях влияния на эти средства неоднородностей ионосферы, тропосферы и подстилающей поверхности Земли.
2. Исследованы факторы ухудшения качества работы средств навигации,
связи, наблюдения и управления ВС в высоких широтах с 1987 по 2003 г.г.,
включая периоды 11-летней солнечной активности, и определены основные
причины, порождающие эти отказы.
3. Исследованы характеристики основных видов неоднородностей
ионосферы, тропосферы и подстилающей поверхности Земли, влияющие на
рабочую зону средств навигации, посадки, связи, наблюдения и управления ВС в
высоких широтах.
4. Разработаны методы повышения качества работы средств навигации,
посадки, связи, наблюдения и управления ВС в высоких широтах при
интенсивном поглощении сигналов, появлении многолучевости на антенных
входах этих устройств и изменении направления распространения радиоволн при
их переотражении от искривленных поверхностей неоднородностей ионосферы,
тропосферы, подстилающей поверхности Земли.
5. По результатам научно-экспериментальных работ, проведенных в высоких
широтах, разработаны следующие методы:
повышения точности определения координат ВС автоматическими радиокомпасами КМВ, ГКМВ и УКВ - диапазонов волн при многолучевом приеме и использования этих координат для проверки точности работы ПИ при временной потере сигналов со спутников;
оперативной коррекции автоматическими радиокомпасами координат приводных радиостанций на электронных картах ПИ ВС при смещении льдов Северного Ледовитого океана относительно земной поверхности;
— прогноза оптимальных (ОРЧ), максимальных (МПЧ) и наименьших (НПЧ)
рабочих частот в ДКМВ - диапазоне волн для обеспечения адаптивной радиосвязи
ВС, выполняющих полеты в высоких широтах;
— построения бортовых интегрированных многофункциональных ПИ
системы «ГЛОНАСС - GPS» с отечественной базой данных, включающих
угломерные ПИ, АРК, системы спутниковой, ДКМВ, КМВ, ГКМВ, УКВ -
цифровой связи;
— оперативного определения АРК УКВ - диапазона волн и угломерными ПИ
азимута, дальности, угла сноса, крена, тангажа и времени полета до источника
излучения аварийного маяка ВС, терпящего бедствие, при нахождении
аналогичных средств со средствами цифровой связи на ВС, летящих на параллельных курсах;
построения системы цифровой радиосвязи для океанических центров УВД, обеспечивающих непрерывное наблюдение и управление ВС, выполняющих полеты в высоких широтах, включая Северный полюс;
передачи дифференциальных поправок на ВС, выполняющих полеты в высоких широтах за пределами зоны действия спутниковых систем связи;
— фильтрации волн, переотраженных от различных неоднородностей
ионосферы, тропосферы и подстилающей поверхности Земли в бортовых КМВ,
ГКМВ и УКВ - автоматических радиокомпасах при многолучевом приеме.
На защиту выносятся следующие основные результаты диссертационной работы:
1. Решение научной проблемы обоснования принципов создания
комплексной системы средств навигации, посадки, связи, наблюдения и
управления ВС, выполняющими полеты в высоких широтах при отсутствии
радиолокационного контроля, в условиях влияния на эти средства
неоднородностей ионосферы, тропосферы и подстилающей поверхности Земли.
Анализ средств навигации и посадки, обеспечивающих полеты ВС в высоких широтах
Для навигационного обеспечения полетов, наблюдения и управления ВС в высоких широтах на воздушных судах и в РЦ УВД используются все виды связи -от КМВ до УКВ - диапазонов волн, включая спутниковые системы связи: УКВ -диапазон волн используется для ближней связи в зоне прямой видимости, спутниковые системы связи и ДКМВ - диапазон волн - для дальней связи, КМВ и ГКМВ - диапазоны радиоволн - для ведения связи в ближней зоне с ВС, оборудованными радиостанциями КМВ и ГКМВ - диапазонов волн.
Надежная передача информации в условиях влияния неоднородностей ионосферы, тропосферы и подстилающей поверхности Земли будет определять безопасность полетов ВС в высоких широтах, например при передаче дифференциальных поправок в бортовые ПИ, навигационной информации с ВС в РЦ УВД в режиме АЗН, а также команд из центра управления полетами.
Результаты применения командной УКВ - связи [125] свидетельствуют о том, что в районах, прилегающих к Северному полюсу, в этом диапазоне отсутствует перекрытие УКВ - связи. На континентальных участках этих маршрутов из-за сложного рельефа местности, суровых климатических условий, отсутствия инфраструктуры наземных каналов связи имеются так называемые мертвые зоны. Разрывы связного поля на отдельных участках трассы достигают значительных величин и поэтому не обеспечивают требования непрерывности УВЧ - связи.
ДКМВ - связь [125] - на выделенной одной дневной и ночной частоте в этих регионах неустойчива, из-за влияния на отражающие слои ионосферы протонных и электронных высыпаний в периоды магнитных и ионосферных бурь, и других явлений.
До настоящего времени вопрос выделения сетки частот в ДКМВ - диапазоне волн (до 10 - 20) между дневной и ночной частотой для обеспечения непрерывной связи в адаптивном режиме в высоких широтах при сложной гелиогеомагнитной обстановке все еще не решен. Кроме того, не установлены ретрансляторы, работающие на частотах, которые выбраны по адаптивному методу. Размещение таких ретрансляторов в средних широтах может оказать существенную помощь РЦ УВД при полном поглощении волн в высоких широтах. Желательно их разместить на территории южных РЦ УВД, например в г. Чульмане, Чите. Такое предложение по техническому решению было дано Министерству гражданской авиации РФ в 1991-1992 г. в научных отчетах [111; 112]. Качество радиосвязи при таком подходе описано ниже, в гл. 4.
КМВ и ГКМВ - связь [125] в высоких широтах используется не в полной мере из-за отсутствия мощных авиационных наземных передатчиков. Для работы в этом диапазоне волн на ВС установлены радиостанции типа «Широта - У». На зарубежных ВС радиостанции КМВ и ГКМВ - диапазонов волн вообще отсутствуют. В РЦ УВД на Диксоне, Тикси, Черском эксплуатируются установленные в семидесятые годы пятикиловаттные передатчики морского флота. Кроме того, используемые в высоких широтах приводные радиостанции длинноволнового и средневолнового диапазона требуют модернизации.
Результаты экспериментальных работ, проведенных автором [111: 112] по заказу Министерства гражданской авиации и Министерства обороны РФ по обеспечению устойчивости радиосвязи в КМВ, ГКМВ - диапазонах волн, не внедрены на ВС и в РЦ УВД, расположенных в высоких широтах, из-за отсутствия денежных средств.
Спутниковая низкоорбитальная связь «Глобалстар», высокоорбитальная «Инмарсат - АЭРО Мини М» на ВС в высоких широтах в полной мере не используется, так как надежная связь системами «Инмарсат - АЭРО Мини М» обеспечивается до 82 с. ш. [97], а «Глобалстар» - до 72 с. ш. [98]. Спутниковая система «Иридиум» [99], проработав около года на территории России, в настоящее время снята с эксплуатации. Вышеперечисленные спутниковые системы связи, кроме «Иридиума», проходят дополнительные испытания в высоких широтах.
Отсутствуют прогнозы зон действия средств навигационного обеспечения полетов и управления ВС в различное время суток, года и пути модернизации этих систем.
Находящаяся в эксплуатации бортовая аппаратура УКВ, ДКМВ, ГКМВ, КМВ - диапазонов: «Ядро», «Микрон», «Арлекин», «Орлан», «Баклан», «Широта - У», не автоматизирована и не имеет блоков передачи данных. Средства воздушной связи не адаптированы к влиянию на сигналы различного вида неоднородностей ионосферы, тропосферы и подстилающей поверхности Земли.
Проведенный анализ наземных средств навигационного обеспечения полетов и управления ВС в высоких широтах показал, что используемое оборудование и методики также устарели и требуют модернизации.
Оценка рабочей зоны бортовых автоматических радиокомпасов КМВ и ГКМВ - диапазонов волн в высоких широтах
В связи с тем, что в точке приема, находящейся в КМВ и ГКМВ - диапазонах волн, в восходно - заходные периоды и ночью могут присутствовать пространственные и поверхностные волны [12 - 26], на первом этапе рассмотрена методика оценки рабочей зоны поверхностной волны, а на втором этапе — пространственной. От правильного выбора методики оценки рабочих зон приводных радиостанций зависит эффективность работы бортовых АРК КМВ и ГКМВ - диапазонов волн в условиях влияния неоднородностей подстилающей поверхности Земли и ионосферы.
Как показал анализ литературы, при расчете напряженности поля поверхностной волны пользуются алгоритмами (1.2) пространственной (1.3) и поверхностной и пространственной волны (1.1), приведенными в главе 1.
Из (1.2) следует, что для оценки зоны действия поверхностной волны необходимо знание функции ослабления поля W на каждой трассе, по которой планируются полеты. Из приведенных в [29; 34 - 42] методов широкое применение в практике нашли методы определения функции ослабления поля W по геоэлектрическим разрезам (ГЭР), радиоэлектромагнитному зондированию (РЭМЗ) и радиокомпарированию на рабочих частотах передатчиков. Эти методы основаны на учете электрических параметров подстилающей поверхности, рельефа и растительного покрова трассы, сезонных и пространственных изменений радиополя.
При прогнозировании электромагнитного поля (ЭМП) необходимо предварительное вычисление его амплитудно-фазовой структуры на основе данных о среде, в которой распространяются радиоволны. Точность прогнозирования определяется степенью соответствия реальной модели той модели, которая принята для расчетов поля [37].
Для определения функции ослабления поля W при распространении радиоволны вдоль земной поверхности широко используется понятие приведенного поверхностного импеданса S подстилающей среды, который учитывает суммарное влияние параметров геоэлектрического разреза и определяется отношением тангенциальных составляющих электрического Ех и магнитного Нт полей на границе раздела «воздух - земля» [29; 35; 41]: 5= T/(#tZ0), (2.1) где Z0= 1207Г— характеристический импеданс свободного пространства.
При определении приведенного поверхностного импеданса S по прогнозным картам геоэлектрических разрезов используют площадное распределение различных типов ГЭР с указанием удельного электрического СОПрОТИВЛеНИЯ ри ПрОВОДИМОСТИ О, ДИЭЛеКТрИЧеСКОЙ ПрОНИЦаеМОСТИ ЄІ и мощности hi каждого слоя [29; 35-41]. Параметры геоэлектрического разреза р, hi определяются методом вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) на постоянном токе [29]. Обобщенное выражение приведенного поверхностного импеданса п - слойной среды обычно представляется в виде где 5\ - поверхностный импеданс однородной среды с параметрами первого слоя; )(n) = F(f, РІ, ЄІ, hu в) - корректирующий множитель, учитывающий нижележащие слои земной коры [35; 40].
Значения модуля импеданса \д\ и фазы щ рассчитывают по известным параметрам геоэлектрического разреза по следующим формулам [41]: \S\=J(ReS)2+(JmS)2, = arctg . (2.2)
Прогнозные карты представляет собой совокупность геоэлектрического строения, на которой пронумерованы участки отдельных горизонтов (слоев) разреза. Наличие лесных массивов, ледового покрова и сезонно - оттаивающего слоя на трассе распространения радиоволн учитывается на карте ГЭР введением дополнительного полупроводящего слоя [35; 36].
При определении приведенного поверхностного импеданса 8 подстилающей среды в КМВ и ГКМВ - диапазонах волн методом радиоэлектромагнитного зондирования применяют формулу, которая учитывает суммарное влияние параметров геоэлектрического разреза [29; 35]: S=/S/-ej(p, (2.3) В выражении (2.3) значение модуля Щ и фазы е?9 приведенного поверхностного импеданса определяется экспериментальным путем с помощью аппаратуры типа ИЛИ - 1000, разработанной в ИЗК СП6ТУ [42].
Методика измерения приведена далее в главе 4. В настоящее время среди исследователей широкое применение получила методика радиокомпарирования поля с борта самолета малой авиации [31]. Методика апробирована при компарировании полей на трассах в Европейской части страны, на юге и севере Сибири и показала высокую эффективность по сравнению с наземными измерениями.
В рамках этой методики по измеренному модулю напряженности вертикальной составляющей электрического поля 12 вычисляют модуль функции ослабления I WI. Вычисление производится по формуле [29; 31] где: Р - излучаемая мощность диполя, кВт; D - расстояние от источника поля до точки приема, км; к = 2п/Х - волновое число; X - длина волны, км; (0 )2 статический, \/ікО- индукционный члены, которые учитывают в формировании поля в ближней зоне излучателя.
Высотная зависимость поля в волновой зоне излучателя (кК»1) на достаточно малых высотах (jcSh«\) определяется дополнительным множителем е"" , где h - высота приёмника над поверхностью земли, км. По данным [31], на высотах до 1000м для частот 281 и 936 кГц поле совпадает с полем на поверхности Земли с точностью «95% (при 6 =10 2 См/и). Измерения модуля вертикальной составляющей напряженности электрического поля Ев проводится измерителем поля FSM-6,5 по методике разработанной в [31].
По результатам экспериментальных работ, выполненных в различных условиях Европы, Сибири и Монголии, установлена достаточно хорошая сходимость значений модуля и фазы поверхностного импеданса, полученных методами ВЭЗ, РЭМЗ и радиокомпарирования [29; 35; 37 - 38; 40 - 42]. Однако в результате анализа работ [36, 39] установлено, что для многолетнемерзлой среды значения эффективных электрических параметров, полученных методами ВЭЗ на постоянном токе и РЭМЗ на радиочастотах, не совпадают. Поэтому при прогнозировании характеристик распространения радиоволн для северных регионов необходимо использовать не данные ГЭР, а прямые измерения поверхностного импеданса методом РЭМЗ и радиокомпарирования.
При оценке зоны действия АРК КМВ и ГКМВ - диапазонов волн величина минимальной напряженности поля должна быть такой, чтобы обеспечивать точность пеленгования по приводу ± 3, а по пеленгу ±10 [190].
Основным недостатком рассмотренных методов является то, что их можно применять только в дневное время при отсутствии пространственных волн. С появлением в восходно - заходные периоды и ночью пространственных волн в измерениях появляются значительные погрешности, которые ограничивают применение данных методов в эти периоды времени. Наибольшие погрешности измерения возникают при одинаковых соотношениях амплитуд поверхностных и пространственных волн (см. рис. 1.1) и сдвиге фаз этих сигналов на 180 [70].
Для измерения функции ослабления поля W в любое время суток диссертантом разработаны методы разделения прямых волн от переотраженных на частотах биений с разрешением -0,001 Гц. В качестве примера на рис. 2.1. приведены графики разделенного по частоте поверхностной и пространственной волны [70]. Данная методика в виде панорамного приемника была защищена авторским свидетельством [62].
Обоснование структуры комплекса средств навигации, посадки, связи, наблюдения и управления ВС для высоких широт
Адаптивный автоматизированный комплекс средств навигации, посадки, связи, наблюдения и управления ВС при УВД, включающий бортовое и наземное оборудование, работает как единая система. При выходе параметров одних средств за пределы допуска от влияния неоднородностей, комплекс переходит на автоматический выбор оптимальной рабочей частоты и ввод поправок в оборудование при отклонении ВС от линии заданного пути. В случае сложности ввода поправок в средства навигации и связи это оборудование отключается и осуществляется переход на другие средства.
Подключение оборудования осуществляется адаптивно, в зависимости от интенсивности воздействия неоднородностей на сигналы аппаратуры. Адаптация средств к изменениям параметров неоднородностей позволяет поддерживать аппаратуру комплекса в постоянном рабочем состоянии. Команды по выбору средств, переход с одних средств на другие, а также переключение оборудования на поиск оптимальных рабочих частот осуществляется по критериям качества работы комплекса.
Радионавигация и посадка ВС в высоких широтах в условиях влияния неоднородностей. Анализ результатов экспериментальных полетов, проведенных при участии диссертанта, в высоких широтах над акваторией Северного Ледовитого океана, показал, что основными бортовыми радионавигационными устройствами для вождения ВС по трассам и осуществления посадки являются автоматические радиокомпасы КМВ, ГКМВ - диапазонов волн и спутниковые приемоиндикаторы «ГЛОНАСС - GPS», а средствами поиска воздушных судов, терпящих бедствие, кроме указанного оборудования, — автоматические радиокомпасы УКВ диапазона.
Приводные автоматизированные радиостанции (ПАР) КМВ, ГКМВ -диапазонов волн расположены на аэродромах и островах Северного Ледовитого океана, как со стороны России, так и со стороны Канады и США. Другие средства навигации, такие как РСБН, VOR/DME, на территории России в этих широтах не используются из-за малой дальности, отсутствия мощных источников электроэнергии и дороговизны содержания обслуживающего персонала на островах.
Находящиеся в эксплуатации спутниковые группировки «GPS» и «ГЛОНАСС» полностью перекрывают полярную шапку. Результаты проведенных автором экспериментов с приемоиндикаторами «ГЛОНАСС - GPS» на ВС Ил-76ТД, Ан-26 и Ми-8Т над полярной шапкой территории Российской Федерации и Канады, включая Северный полюс, показывают более низкие точностные характеристики зарубежных ПИ «GPS», чем отечественных приемоиндикаторов «ГЛОНАСС». Это расхождение предположительно связано с малым наклонением орбиты «GPS» (55), (спутниковая группировка «ГЛОНАСС» имеет наклонения 63). Низкие точностные характеристики приемоиндикаторов «GPS» могут привести к сложной ситуации при посадке ВС на аэродромы, расположенные на льдинах или островах Северного Ледовитого океана. Результаты этих экспериментальных работ приведены ниже в главе 4.
В высоких широтах одним из важных факторов при эксплуатации средств навигации и посадки в условиях влияния неоднородностей ионосферы, тропосферы и подстилающей поверхности Земли, является появление многолучевости и искажение сигналов. Для повышения качества работы средств навигационного обеспечения полетов ВС в этих условиях в состав комплекса включены модернизированные АРК и ПИ «ГЛОНАСС - GPS», разработанные с участием диссертанта.
Используемые в комплексе автоматические КМВ, ГКМВ и УКВ -радиокомпасы способны пеленговать маяки с высокой точностью в любое время суток, даже при влиянии на их работу переотраженных волн от ионосферы в КМВ, ГКМВ - диапазонах и различных неоднородностей тропосферы и подстилающей поверхности Земли в УКВ - диапазоне волн. Высокая точность работы АРК достигается за счет разделения прямой и переотраженных волн в узкополосных перестраиваемых фильтрах, которые адаптируются к отражающим слоям неоднородностей ионосферы, тропосферы, подстилающей поверхности Земли и расстоянию между ПАР и АРК.
Преимущество использования КМВ и ГКМВ - АРК заключается в большой дальности пеленгования в высоких широтах. Большая дальность обеспечивается хорошей проходимостью этого диапазона волн надо льдами Северного Ледовитого океана. Отметим, что для достижения хорошего результата для каждого сезона года необходимо проводить отдельные расчеты оптимальных частот для конкретной приводной радиостанции. Эти оптимальные частоты должны быть адаптированы к отражающим слоям подстилающей поверхности Земли.
В разработанном диссертантом комплексе оптимальные рабочие частоты ПАР рассчитываются по удельному электрическому сопротивлению pi , диэлектрической проводимости ЄІ , мощности h, горизонтов геоэлектрических разрезов подстилающей поверхности для каждого сезона года по программе [80, 83]. Значения рі, є , hj вводятся с прогнозных карт геоэлектрических разрезов различных территорий, над которыми выполняются полеты.
Экспериментальная оценка влияния подстилающей поверхности Земли на средства навигационного обеспечения полетов и управления ВС КМВ и ГКМВ - диапазонов волн в высоких широтах
Характеристики распространения поверхностных КМВ и ГКМВ - радиоволн вдоль земной поверхности зависят от электрических свойств подстилающей среды, а также от рельефа местности. Для повышения качества работы средств навигационного обеспечения полетов и управления ВС в высоких широтах необходимо иметь прогнозные данные о амплитудно-фазовой характеристике и уровне электромагнитного поля для всех трасс полета [201; 216]. При решении задач о распространении радиоволны вдоль земной поверхности используется приведенный поверхностный импеданс 6 = І -е7 ", который учитывает суммарное влияние параметров геоэлектрического разреза и определяется отношением тангенциальных составляющих электромагнитного поля на границе земля - воздух. Зная пространственное распределение поверхностного импеданса, можно рассчитать ослабление радиоволн вдоль выбранного направления.
Измерения поверхностного импеданса подстилающей среды в КМВ и ГКМВ-диапазонах волн проводились методом РЭМЗ. С другой стороны, поверхностный импеданс можно рассчитать по известным параметрам геоэлектрических разрезов, которая в свою очередь определяются методом вертикального электрического зондирования на постоянном токе. К настоящему времени на значительном экспериментальном материале показано, что результаты расчетов импеданса по данным ВЭЗ совпадают с экспериментальными данными, полученными методом РЭМЗ в КМВ и ПСМВ - диапазонах для средних широт [29; 35; 40; 41].
Однако в ряде работ установлено, что для многолетнемерзлой среды значения эффективных электрических параметров, полученных методами ВЭЗ на постоянном токе и РЭМЗ на переменном токе, не совпадают [36; 39]. Об этом свидетельствуют результаты НИР, проведенных при участии диссертанта в районе поселке Черский (Якутия) [83; 111]. Поэтому при прогнозировании характеристик распространения радиоволн для северных регионов, исследователи используют данные измерений поверхностного импеданса и модуля функции ослабления сигналов на радиотрассах.
Основополагающим методом определения функции ослабления в зависимости от расстояния от источника является метод расчета по ряду В. А. Фока [96]: волновое число свободного пространства, Я - длина волны; D - расстояние от источника до точки приема, отсчитываемое вдоль поверхности земли; 5 -приведенный поверхностный импеданс; h - высота приема сигнала над поверхностью земли. Параметры /, являются корнями (нулями) трансцендентного уравнения: w (t)-qw(t) = 0, (4.2) где w(f) и w (f) - функция Эйри, определяемая уравнением w"(f) - tw(f) = 0, и ее производная соответственно.
В настоящее время наиболее распространенным методом расчета функции ослабления над геометрически и электрически неоднородными трассами является метод интегрального уравнения Хаффорда [103]: cxplikfc +r2 -r0)]dx \W(xj W(D)=\+U (4.3). 2ж 0r)+o-JL) i cosy/ jx(D-x) ікгг on Здесь д(х) - неоднородный вдоль радиотрассы приведенный поверхностный импеданс, к - волновое число в вакууме, г\ - расстояние по прямой между источником и текущей точкой интегрирования, Г2 - расстояние по прямой между приемником и точкой интегрирования, г0 - расстояние по прямой между источником и приемником, D и х - расстояния вдоль земной поверхности соответственно от источника до приемника и до текущей точки интегрирования. Qh0\ 0i — угловые расстояния, ц/ угол между нормалью к земной поверхности и радиальным вектором, направленным из центра Земли, Яь Я2, Я0 - высоты точек над уровнем моря (рис. 4.1). Приемник и излучатель расположены на поверхности Земли.
Для расчета функции ослабления над кусочно-однородными в электрическом отношении трассами используется интегральное уравнение Фейнберга [104]. Здесь функция WQ{D) рассчитывается по формуле Фока (4.1) с импедансом 5о, который может выбираться произвольно.
Для расчета функции ослабления W с учетом электрических и геометрических неоднородностей наиболее целесообразно использовать метод обобщенного интегрального уравнения Фейнберга с учетом геометрических и электрических неоднородностей в полярной системе координат (г, в):
В диссертации из выше рассмотренных методов для расчета функции ослабления применен наиболее распространенный метод, используемый на практике - метод интегрального уравнения Хаффорда, а экспериментальные работы проводились методом РЭМЗ и радиокомпарирования [201, 216].
Измерения модуля функции ослабления радиоволн осуществлялись в октябре 1991 г. по методике, разработанной в [31]. Измерение напряженности вертикальной электрической составляющей электромагнитного поля в полете проводилось измерителем поля FSM-6.5, установленным на борту самолета. В качестве антенны использовалась оголенная от экрана часть кабеля РК-75 длиной около 1 м. Антенна натягивалась вертикально над фюзеляжем в хвостовой части самолета и прикреплялась одним концом через изолятор к Г-образной передающей антенне ВС, другой конец закреплялся в вентиляционном люке за специальное крепление. Не оголенная часть кабеля РК-75 соединялась с блоком согласования FMA-6.2 приемного устройства FSM-6.5. Запись сигнала с выхода измерителя поля производилась на самописец Н-399.
