Содержание к диссертации
Введение
1. Методы навигационных определений в спутниковых радионавигационных системах при решении задач навигации и посадки воздушных судов и пути их совершенствования 16
1.1. Сравнительный анализ методов навигационных определений пространственных координат ВС и пути их совершенствования 16
1.1.1. Глобальные и дифференциальные навигационные определения пространственных координат ВС 16
1.1.2. Относительные навигационные определения пространственных координат ВС 19
1.1.3. Навигационные определения пространственных координат ВС по фазе несущей 22
1.1.4. Совершенствование относительных навигационных определений пространственных координат ВС на основе разностно-дальномерного способа измерений 24
1.2. Анализ возможности угломерных навигационных определений координат ВС для решения задачи категорированной посадки 26
1.3. Минимизация бортового навигационного оборудования путем комплексного измерения вектора положения ВС 29
1.3.1. Комплексные измерения вектора положения ВСс дискретным каналом связи 30
1.3.2. Комплексные измерения вектора положения ВС с
ретранслятором радионавигационного поля СРНС 32
1.4. Оценка точности навигационных определений координат ВС и способы ее повышения 34
1.4.1. Обобщенная модель трассы распространения сигналов СРНС при различных методах навигационных определений координат ВС 34
1.4.2. Оценка точности глобальных, дифференциальных и относительных навигационных определений координат ВС 38
1.4.3. Способы повышения точности навигационных определений координат ВС 42
1.4.4. Оценка применимости относительных навигационных определений координат для решения задачи категорированной посадки ВС 50
1.5. Основные результаты и выводы 53
2. Технические средства, реализующие перспективныеметоды навигационных определений в спутниковых радионавигационных системах при решении задач навигации и посадки воздушных судов, и пути их совершенствования 55
2.1. Анализ характеристик сигнала на входе аппаратуры потребителей СРНС в условиях многолучевого приема сигналов при полетах ВС на малых высотах 55
2.1.1. Энергетические и вероятностные характеристики сигнала на входе аппаратуры потребителей СРНС 55
2.1.2. Моделирование сигнала на входе аппаратуры потребителей СРНС 66
2.2. Совершенствование аппаратуры потребителей СРНС для реализации перспективных методов навигационных определений координат ВС 68
2.2.1. Синтез алгоритма квазиоптимальной обработки навигационной информации в аппаратуре потребителей СРНС в условиях многолучевого приема сигналов при полетах ВС на малых высотах 69
2.2.2. Оценка погрешности оптимальной фильтрации радионавигационных параметров в условиях многолучевого приема сигналов СРНС 78
2.2.3. Разработка требований к ретранслятору радионавигационного поля СРНС для реализации относительных навигационных определений координат ВС 84
2.3. Основные результаты и выводы 94
3. Анализ информационного обмена в каналах «Земля - борт - Земля» при управлении воздушным движением с использованием спутниковых систем связи и пути его совершенствования 96
3.1. Анализ информационных потоков в каналах «Земля - борт - Земля» при УВД на международных авиатрассах 96
3.2. Пути сокращения объема информационных потоков в каналах «Земля - борт - Земля» при УВД с использованием спутниковых систем связи 102
3.2.1. Сокращение объема информационных потоков за счет повышения точности местоопределения по СРНС 102
3.2.2. Сокращение объема информационных потоков за счет совмещения речи и данных в спутниковых каналах связи.системы УВД 118
3.3. Анализ эффективности информационного обмена прииспользовании для УВД системы ИНМАРСАТ 123
3.3.1. Характеристики информационного обмена в системе ИНМАРСАТ 123
3.3.2. Методы расчета статистических характеристик цифровой линии передачи данных, функционирующей в соответствии с протоколом системы ИНМАРСАТ 129
3.3.3. Разработка модели информационного обмена в системе ИНМАРСАТ 134
3.3.4. Оценка эффективности процессов информационного обмена в системе ИНМАРСАТ 139
3.4. Совершенствование дисциплин обслуживания ВС при УВД с использованием спутниковых систем связи 145
3.4.1. Разработка рекомендаций по организации связи по инициативе ВС, обеспечивающей уменьшение задержки передачи сообщений и минимизацию энергетического и частотного ресурсов связного канала 145
3.4.2. Разработка рекомендаций по выбору дисциплин обслуживания ВС с учетом различной приоритетности сообщений 161
3.5. Основные результаты и выводы 170
4. Повышение эффективности использования при управлении воздушным движением спутниковых каналов связи в условиях мешающих воздействий 174
4.1. Анализ факторов, влияющих на достоверность передачи информации в спутниковых каналах связи 174
4.2. Влияние интермодуляционных помех, обусловленных нелинейностью ретранслятора ИСЗ, на достоверность передачи информации в спутниковых каналах связи и пути его уменьшения... 176
4.3. Влияние условий распространения радиоволн в высоких широтах на достоверность передачи информации
по традиционным и спутниковым каналам связи системы УВД
и пути его уменьшения 191
4.4. Основные результаты и выводы 200
Заключение 202
Список использованных источников
- Глобальные и дифференциальные навигационные определения пространственных координат ВС
- Оценка точности глобальных, дифференциальных и относительных навигационных определений координат ВС
- Энергетические и вероятностные характеристики сигнала на входе аппаратуры потребителей СРНС
- Пути сокращения объема информационных потоков в каналах «Земля - борт - Земля» при УВД с использованием спутниковых систем связи
Введение к работе
Актуальность работы. Исследования, проведенные международной организацией гражданской авиации (ИКАО), показали, что 70% авиационных катастроф происходит на этапах взлета и посадки воздушного судна (ВС). Остальные 30% катастроф происходит на этапе полета по маршруту, причем примерно 25% из них связано со столкновениями ВС в воздухе [1]. Основным способом предотвращения столкновения ВС в воздухе является строгое соблюдение экипажами и диспетчерами службы движения правил эшелонирования, которые определяют порядок рассредоточения ВС в воздухе на безопасные расстояния по каждой из трех координат. В соответствии с этими правилами каждому ВС, контролируемому системой управления воздушным движением (УВД), отводится воздушный коридор, в пределах которого должно находиться только одно ВС.
Стремление обеспечить полеты ВС в выгодных режимах, то есть по ортодромическим траекториям и на оптимальных для каждого типа ВС высотах, приводит к повышению плотности воздушного движения на кратчайших маршрутах и экономичных эшелонах, что вызывает необходимость сокращений воздушных коридоров. При этом требования безопасности воздушного движения и экономичности полетов ВС вступают в определенное противоречие. Приведение их во взаимное соответствие требует проведения комплекса мероприятий, направленных на совершенствование систем навигации и УВД и улучшение их взаимодействия [2 - 5]. Улучшение взаимодействия средств навигации и УВД является весьма актуальной задачей [6-9]. Так, почти 75% времени обслуживания ВС диспетчером УВД тратится на сбор, обработку и передачу информации [6]. При этом значительное число сеансов радиосвязи тратится на уточнение различных параметров полета, которые диспетчер мог бы получить в результате более совершенной обработки имеющейся информации.
Совершенствование бортовых средств навигации и повышения их точности позволяет в автоматическом режиме (при внедрении перспективной технологии УВД с использованием автоматического зависимого наблюдения (АЗН)) или по запросу диспетчера УВД осуществлять передачу данных о местоположении ВС либо об отклонении его местоположения от текущего плана при пролете контрольных пунктов, что особенно актуально для построения автоматизированных систем оперативного УВД, вклю-
7 чающего в себя процессы текущего планирования, управления по траектории текущего плана и управления с экстраполяцией [9].
Уменьшение среднеквадратического отклонения (СКО) ВС от заданной траектории при фиксированной ширине воздушного коридора в зоне с наличием радиолокационного контроля со стороны службы УВД уменьшает загрузку диспетчера за счет уменьшения числа выходов ВС за пределы трассы, подлежащих ликвидации. Уменьшение числа команд, которые должен дать диспетчер для ликвидации отклонений ВС от заданной трассы, позволяет ему больше времени уделять анализу воздушной обстановки и оптимизации процессов регулирования воздушного движения и принятия решений, что будет способствовать повышению надежности УВД.
Эффективность комплексного использования систем навигации и УВД определяется техническими характеристиками обеих систем.
В [5] рассмотрен общий подход к решению задачи обеспечения заданных норм эшелонирования средствами навигации и УВД, в рамках которого оптимальный вариант сочетания технических характеристик средств навигации и УВД определяется по минимуму суммарных затрат на их совершенствование при условии обеспечения требуемого уровня безопасности полетов. Отмечается, что для обеспечения перспективных норм эшелонирования более предпочтительны технические решения, направленные на повышение точностных характеристик навигационной системы, поскольку они, как правило, требуют меньших капиталовложений, чем технические решения, направленные на совершенствование средств УВД.
Необходимость повышения точности самолетовождения приобретают особо важное значение в связи с внедрением аэродромных автоматизированных систем УВД (АС УВД), эффективность использования которых повышается с созданием в районах аэродромов стандартных пространственно-временных траекторий [1, 3]. Соответственно, повышаются требования к точностным характеристикам систем навигации и УВД, которые должны обеспечить коррекцию траектории движения ВС путем введения поправок в горизонтальную и вертикальную составляющие его скорости, а также поправок на начало разворотов с целью обеспечения точности времени осуществления посадки порядка нескольких секунд [12].
Особенно актуальна проблема повышения точности навигационных систем с точки зрения безопасности полетов ВС в зонах, в которых отсутствует наземный радиолокационный контроль, таких как океанические районы и районы Крайнего Севера, где основными средствами навигации в
8 настоящее время являются курсо-доплеровские и инерциальные навигационные системы (ИНС). При этом необходимость развития комплексиро-ванных систем навигации обусловлена, в частности, тем, что ИНС не позволяют самостоятельно и надежно осуществлять безопасную навигацию в пределах установленных норм бокового эшелонирования для сети параллельных маршрутов («треков») при длительности полета порядка 10-12 часов, имеющих место в океанических районах. Так, например, используемые в настоящее время ИНС имеют погрешность в определении боковых отклонений 3,6 - 9,2 км (по уровню 2СКО) за один час полета, а курсо-доплеровские системы 3 - 4% от пройденного пути [11]. Наиболее совершенные ИНС, использующие безопорные гироскопы с электростатической подвеской фирм Litton и Singer-Kearfott (США) обеспечивают точность 1,85 км/час полета [12]. При этом требуемая для обеспечения регламенти-рованного нормами ИКАО уровня безопасности полетовр = 0,18-10 катастроф/летный час точность навигации может быть реализована лишь при коррекции счисленных автономными системами навигации координат ВС по данным радиотехнических систем дальней навигации.
Точность навигации ВС существенно повышается при внедрении глобальных спутниковых радионавигационных систем (СРНС) типа GPS (США) и ГЛОНАСС (РФ), обеспечивающих согласно [13] при полете по трассе определение по открытому коду пониженной точности плановых координат с точностью ~100 м, а высоты с точностью ~150 м (при доверительной вероятности/? = 0,95, что соответствует погрешности 2СКО).
Использование дифференциальных методов навигационных определений, реализуемых в виде локальных дифференциальных подсистем (ЛДПС) СРНС [14, 15], позволяет повысить точность местоопределения и использовать СРНС для решения задач захода на посадку и посадки ВС.
Переход полностью на спутниковую технологию, позволяющую, в принципе, решать задачи навигации ВС на всех этапах полета, в нашей стране сдерживается, с одной стороны, тем, что орбитальная группировка космических аппаратов (КА) отечественной СРНС ГЛОНАСС развернута не полностью [13], а с другой стороны, отсутствием достаточного количества сертифицированного бортового оборудования СРНС. При этом важное значение приобретают вопросы комплексирования СРНС ГЛОНАСС с СРНС GPS, обладающей большей полнотой орбитальной группировки КА, и с другими навигационными средствами.
Комплексирование СРНС ГЛОНАСС и GPS позволяет повысить целостность радионавигационного поля СРНС и точность комплексирован-ной системы, а комплексирование СРНС с ИНС - улучшить динамические характеристики СРНС. Комплексирование СРНС со средствами радиосвязи в рамках создания ЛДПС помимо повышения точности местоопределе-ния ВС, дающего возможность расширить функциональные возможности СРНС и использовать их на всех этапах полета, включая посадку, а также при проведении специальных работ, связанных с необходимостью точного местоопределения ВС на малых высотах, таких как поиск и спасение, пожаротушение и др., позволяет также улучшить характеристики канала передачи данных за счет его навигационной поддержки, что имеет существенное значение как для улучшения точностных и динамических характеристик ЛДПС, так и для повышения достоверности и оперативности передачи данных при УВД с АЗН.
Вопросам комплексирования СРНС ГЛОНАСС и GPS с другими навигационными средствами посвящена обширная литература. Общие идеи комплексной обработки навигационной информации отражены в работах В.И.Тихонова, М.СЯрлыкова, Р.Л.Стратоновича, Л.Заде и Дж.Рагаззини и др. Проблемы комплексирования навигационных средств отражен в работах [16-21]. Так, в [16, 17] рассматриваются вопросы комплексирования СРНС ГЛОНАСС и GPS, в [18] - вопросы комплексирования СРНС и ИНС, в [19] - вопросы создания интегрированного оборудования навигации, посадки связи и наблюдения, а в [20, 21] - вопросы обеспечения целостности навигационных определений в комплексированных системах.
Вместе с тем, в имеющейся литературе не нашел отражения ряд вопросов, имеющих важное значение для теории и практики построения комплексированных систем навигационного обеспечения ВС. В частности, нет оценки эффективности комплексирования СРНС со штатным навигационным оборудованием курсо-доплеровского типа, которым оборудован значительный парк ВС, что особенно актуально в условиях неполного развертывания орбитальной группировки КА СРНС, когда приемоиндикатор СРНС рассматривается как вспомогательное средство навигации ВС.
Далека от разрешения проблема комплексирования СРНС с другими навигационными средствами и средствами радиосвязи в рамках создания ЛДПС, обеспечивающих категорированную посадку ВС. Здесь подлежат исследованию вопросы влияния подстилающей поверхности и параметров движения ВС при полетах и маневрировании на малых высотах на точ-
10 ность местоопределения ВС. Необходим также поиск наиболее эффективных методов навигационных определений и алгоритмов обработки информации, обеспечивающих максимальное ослабление влияния факторов, ухудшающих точность местоопределения на малых высотах.
В частности, необходимо исследование возможности использования для решения задач категорированной посадки ВС такой разновидности дифференциального режима, как навигационные определения с относительными координатами, или относительные навигационные определения [13], потенциально обеспечивающие более высокую точность местоопределения ВС. Кроме того, необходимо исследование возможности расширения определяемого с помощью средств навигации вектора положения ВС за счет включения в него угловых координат последнего, знание которых необходимо для посадки по III категории ИКАО.
С внедрением перспективной технологии УВД с АЗН, при которой навигационная информация с борта ВС по связному каналу передается в центр УВД, средства связи приобретают определяющую роль в комплексе технических средств системы УВД. В этой связи их совершенствование, а также совершенствование процедур информационного обмена по каналам авиационной связи при УВД становится необходимым условием совершенствования системы УВД в целом.
Переход на спутниковую технологию организации авиационной связи при УВД позволяет существенно улучшить качество функционирования систем связи и расширить их функциональные возможности. В частности, использование спутниковых средств связи позволяет решить задачу УВД с использованием технологии АЗН в океанических районах и районах Крайнего Севера, где использование традиционных средств связи метрового (MB) и декаметрового (ДКМВ) диапазонов волн проблематично как с точки зрения возможности перекрытия протяженных трасс, так и с точки зрения значительной зашумленности указанных диапазонов и нарушений связи в полярных районах в периоды авроральных возмущений ионосферы.
Наиболее развитой системой спутниковой связи (ССС), используемой для связи с подвижными объектами, в частности с ВС, является система ИНМАРСАТ [22]. Вместе с тем, необходимы анализ эффективности информационного обмена в соответствии с протоколом ССС ИНМАРСАТ при решении задач УВД и разработка рекомендаций по ее повышению. В частности, необходима выработка рекомендаций по организации связи по
инициативе ВС, имеющей место при УВД с АЗН, обеспечивающей минимизацию энергетического и частотного ресурсов связного канала.
Существенное значение с точки зрения оперативности связи при УВД является разработка мер по минимизации задержки при передаче пакетов сообщений по каналам ССС с учетом приоритетности последних.
Наконец, необходим анализ факторов, влияющих на достоверность передачи информации в спутниковых каналах связи, таких как неточность синхронизации; нелинейность ретранслятора искусственного спутника Земли (ИСЗ), приводящей к специфическим для спутниковых каналов связи интермодуляционным помехам; отражения от подстилающей поверхности, наиболее существенные для каналов спутниковой связи, обслуживающих полярные районы, из-за малых углов места ИСЗ, характерных для этих районов. Необходима выработка рекомендаций по уменьшению их влияния на качество функционирования ССС при решении задач УВД.
Таким образом, из изложенного можно заключить об актуальности и целесообразности проведения исследований по теме диссертации.
Цель и задачи исследований. Целью работы является разработка методов и средств совершенствования навигационного обеспечения ВС и УВД на основе спутниковых технологий. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
Разработка методов навигационных определений на основе ком-плексирования СРНС с другими навигационными средствами и средствами радиосвязи, направленных на повышение надежности навигационного обеспечения ВС на всех этапах полета, включая посадку.
Разработка предложений по совершенствованию технических средств, реализующих перспективные навигационные определения с использованием СРНС при решении задач навигации и посадки ВС.
Разработка способов сокращения информационных потоков и рекомендаций по совершенствованию дисциплин обслуживания ВС при УВД с использованием ССС.
Разработка способов уменьшения влияния нелинейности ретранслятора ИСЗ и мешающих воздействий на достоверность передачи информации по спутниковым каналам связи при УВД.
Методы исследований. При решении перечисленных задач использованы методы системного анализа, прикладные методы теории вероятностей и теории случайных процессов и методы математического моделирования.
12 Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:
проведен системный анализ перспектив использования спутниковых систем навигации и связи для решения задач навигации ВС и УВД на всех этапах полета, включая посадку;
разработаны рекомендации по совершенствованию алгоритмов и реализующих их технических средств, обеспечивающих расширение функциональных возможностей и улучшение характеристик авиационных спутниковых систем навигации и связи.
В диссертации получены следующие основные научные результаты:
предложены высокоточные разностно-дальномерные алгоритмы относительных навигационных определений пространственных координат и углового положения ВС с использованием СРНС, комплексированной с каналом передачи корректирующей информации или ретранслятором радионавигационного поля, и проведен сравнительный анализ существующих и предложенных методов навигационных определений с точки зрения применимости их для решения задач навигации и категорированной посадки ВС;
на основе разработанной математической модели группового сигнала СРНС в условиях многолучевого распространения при полетах ВС на малых высотах синтезирован квазиоптимальный алгоритм обработки навигационной информации и получены расчетные соотношения для определения погрешности оценки радионавигационных параметров в СРНС в условиях многолучевости при различных методах навигационных определений;
предложены критерий оценки эффективности навигационного оборудования ВС с учетом норм безопасности полетов и расчетные соотношения для определения необходимой периодичности корректировки местоположения ВС в автоматическом режиме полета и дана оценка сокращения объема информационных потоков при УВД за счет повышения точности навигации ВС при использовании в качестве позиционного корректора штатного навигационного оборудования приемоиндикатора СРНС;
с использованием аппарата вероятностных графов произведен расчет статистических характеристик спутниковой цифровой линии передачи системы УВД с АЗН в условиях замираний, обусловленных отражениями сигнала от подстилающей поверхности, для различных видов модуляции;
предложена оптимальная с точки зрения минимума среднего времени задержки процедура управления пакетами сообщений при УВД с использованием системы ИНМАРСАТ и доказана оптимальность с точки зрения минимума числа каналов процедуры управления с абсолютными приоритетами;
предложен квазиоптимальный алгоритм расстановки частот в спутниковых каналах связи систем УВД, минимизирующий уровень интермодуляционных помех, обусловленных нелинейностью ретранслятора искусственного спутника Земли (ИСЗ), и дана оценка эффективности использования асинхронной передачи информации и сверточного кодирования для уменьшения их влияния на достоверность передачи данных при различных видах модуляции сигнала;
получены расчетные соотношения для оценки влияния фединга сигнала на достоверность передачи данных по традиционным и спутниковым каналам связи при УВД в полярных районах и выработаны рекомендации по уменьшению этого влияния.
На защиту выносятся'.
Методы навигационных определений и алгоритмов обработки навигационной информации в СРНС, позволяющие ослабить влияние системных погрешностей, включая погрешности, обусловленные нескомпен-сированными ионосферной и тропосферной задержками сигнала, и отражений от подстилающей поверхности на точность местоопределения ВС при решении задач навигации и категорированной посадки.
Технические предложения по комплексированию СРНС с другими навигационными средствами и средствами радиосвязи, обеспечивающему реализацию перспективных для решения задач навигации и категорированной посадки ВС методов навигационных определений.
Методы сокращения информационных потоков и совершенствования дисциплин обслуживания ВС, направленного на сокращение задержки в передаче сообщений и минимизацию энергетического и частотного ресурсов связного канала при УВД с использованием ССС.
Методы ослабления влияния нелинейности ретранслятора ИСЗ и других мешающих факторов на достоверность передачи данных по спутниковым каналам связи при УВД.
Практическая значимость работы состоит в том, что полученные в ней результаты позволяют:
реализовать точность местоопределения в СРНС, достаточную для обеспечения категорированной посадки ВС, путем использования разност-но-дальномерного способа относительных навигационных определений, оптимизации обработки сигнала в приемоиндикаторе СРНС к работе в условиях многолучевости и комплексирования его с инерциальной навигационной системой (ИНС) и радиовысотомером;
обеспечивать полеты ВС по стандартным траекториям при внедрении аэродромной автоматизированной системы УВД (АС УВД) путем комплексирования СРНС с другими навигационными средствами и средствами радиосвязи, используемыми для передачи корректирующей информации;
уменьшить вероятность выходов ВС за границы воздушного коридора и, соответственно, повысить безопасность полетов и уменьшить загруженность диспетчера УВД, связанную с коррекцией траектории ВС, путем использования приемоиндикатора СРНС в качестве позиционного корректора штатного курсо-доплеровского навигационного оборудования ВС;
сократить объемы информационных потоков при УВД за счет повышения точности навигации ВС с использованием СРНС, комплексиро-ванной с другими навигационными средствами и средствами радиосвязи, и совмещения речи и данных при использовании ССС;
уменьшить задержку сообщений и, соответственно, позиционные ошибки местоопределения ВС при УВД с АЗН за счет совершенствования дисциплин обслуживания ВС с использованием спутниковых каналов связи;
минимизировать необходимое число рабочих каналов ССС, участвующих в радиообмене с ВС при УВД, за счет совершенствования дисциплин обслуживания ВС с учетом приоритетности сообщений и путем рациональной организации фондов рабочих каналов;
повысить достоверность передачи данных по спутниковым каналам связи систем УВД за счет уменьшения влияния интермодуляционных помех, обусловленных нелинейностью ретранслятора ИСЗ, путем оптимизации расстановки частот в связных каналах, использования асинхронной передачи сообщений и сверточного кодирования информации;
- повысить эффективность использования ССС при УВД в полярных районах путем использования круговой поляризации сигнала и направленных антенн.
Внедрение результатов. Основные результаты внедрены в Московском конструкторском бюро «Компас», аэропорту «Пулково», Московском государственном техническом университете гражданской авиации и Академии гражданской авиации, что подтверждено соответствующими актами.
Апробация результатов. Материалы диссертации докладывались на Международной научно-практической конференции «Обеспечение безопасности полетов в новых экономических условиях» (Киев, КМУГА, 1997г.); на Международных научно-практических конференциях Сибирского авиакосмического салона «САКС-2001» и «САКС-2002» (Красноярск, СибГАУ, 2001 и 2002гг.); III Международной научно-технической конференции (Киев, НАУ, 2001 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы радиоэлектроники», посвященной Дню радио (Красноярск, КГТУ, 2004 г.) и на научно-техническом семинаре «Концепция создания интегрированного оборудования навигации, посадки, связи и наблюдения» (МГТУ ГА и МКБ «Компас», 2000г.).
Публикация результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в 35-ти статьях, 1-м учебном пособии и 8-ми тезисах докладов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения.
Основная часть диссертации содержит 217 страниц текста, 52 рисунка, 16 таблиц и библиографию из 123 наименований. Общий объем работы 222 страницы.
Глобальные и дифференциальные навигационные определения пространственных координат ВС
Известны различные модификации навигационных определений (НО) координат ВС в СРНС. Они различаются способом получения искомых координат. Рассмотрим их организацию.
В СРНС ГЛОНАСС/GPS используется дальномерный способ определения координат с хранением начала отсчета, основанный на измерении наклонной дальности до космического аппарата (КА) путем измерения задержки его сигнала относительно собственного опорного генератора (ОГ). Для определения пространственных координат ВС требуется проводить, например с частотой 1 Гц, три независимых измерения и одно дополнительное измерение для учета рассогласования ОГ КА и пользователя. Поскольку ОГ КА жестко синхронизированы и привязаны к системе точного времени, после вычислений пользователь получает трехмерный вектор координат ВС и точное время в виде физического импульса, положение которого на шкале системного времени определено с точностью до 10 не. Таким образом, потребители каждую секунду должны решать следующую систему из 4-х уравнений D iiXi-Xf + iyi-Yf + izt-Zf + c-MJ 1...4, (1.1) где X, Y,Z- искомые координаты ВС; д:,-, уь Zt - априорно известные координаты КАІ ; А/ - смещение шкалы времени ОГ ВС относительно системного времени; DjUi - измеренные псевдодальности.
Точность определения компонент вектора координат составляет величину порядка 17-34 (м) [2СКО]. Аналогичная система может быть записана для частоты принимаемых сигналов КА, если продифференцировать (1.1) по времени (1. 2), где [X,Y,Z)- искомый вектор скорости ВС, (xfy,z) -априорно известный вектор скорости КА,-, Q, - измеренная частота сигнала КА„ AT - дискрет отсчетов по времени, А - рассогласование частот ОГ ВСиКА.
Решение системы (1.2) позволяет потребителю определить вектор скорости ВС с точностью 0,1 м/с [2СКО]. Поиски путей повышения точности СРНС привели к введению дифференциального режима ее работы.
Дифференциальный режим имеет несколько разновидностей [13], но все они основаны на определении поправок по результатам параллельных измерений на контрольной станции (КС) в точке, координаты которой известны с высокой точностью. Полученные на КС поправки передаются на ВС и корректируются результаты измерений. Точность работы СРНС в таком режиме повышается за счет компенсации большинства системных погрешностей. Способы организации дифференциального режима достаточно описаны в литературе и здесь ограничимся их краткой характеристикой.
Подчеркнем важную особенность, характерную для любой модифи кации ДПС: точная АП размещается на неподвижной КС и требует боль шого времени накопления для фильтрации и точной геодезической при вязки. Эти требования существенно ограничивают круг решаемых задач и исключают возможность установки КС на мобильных объектах, например на палубе морского судна при решении с помощью ДПС СРНС задачи по садки ВС на палубу. # & П(ВС) 1234 КА СРНС -\ / \ КС Прд Формирователь КИ Точная АП і і Исл коор; янные (инаты Рис. 1.1. Общая структура дифференциальной подсистемы
Структура дифференциальной подсистемы (ДПС) показана на рис. 1.1. На нем изображено рабочее созвездие из 4-х КА, выбранное пользова 18 телем (П), например экипажем ВС, как оптимальное для проведения НО в стандартном режиме. Собственно ДПС образуют средства наземной КС и дополнительная бортовая аппаратура П. На КС размещены: точная аппаратура П, которая путем длительного накопления и фильтрации обеспечивает точные НО; формирователь корректирующей информации (КИ), вычисляющий поправки и передатчик Прд канала связи с П. У пользователя находятся приемник КИ и устройство ввода ее в стандартную АП для коррекции текущих отсчетов, получаемых в стандартном режиме.
В СРНС приняты следующие основные методы организации дифференциального режима: - метод коррекции координат, алгоритм которого может быть запи сан в виде Ккс-Ккс=АК- АК + Кп=Кп , (1.3) л л где Ккс иА",- измеренные вектора координат на КС и у П, Ккс - эталонные координаты КС, АК - поправки (КИ), Кп - искомые уточненные координаты П; - метод коррекции навигационных параметров (НП), алгоритм ко торого может быть записан в виде RKC, - RKCi = Щ - AR{ + Rnj = Rnj -» (/?Иі... Rnj... RH4 j= Kn „ і -1.../... N Л Л где RKC ЙЛ„- измеренные псевдодальности на КС и у П, N - число видимых КА в точке расположения КС, АЛ,- - поправки (КИ), RKC - эталонные псевдодальности КС, R„ - откорректированные псевдодальности у П, К„ искомые координаты П; - метод разностной коррекции НП, алгоритм которого может быть записан в виде КС = jiL,GJ -»П = АК = (GT -в) 1 GT RKC-Rn , (1.5) Л Л где J? «с и Rn - матрицы измеренных псевдодальностей на КС и у П для всех видимых КА, А/? = Ах, Ay, Az \\ - искомые координаты П относительно КС, G - геометрическая матрица направляющих косинусов линий визирования КАУ с КС как функции углов возвышения 9/, азимута Aj и временной поправки 1, записываемая в виде COS0J, cos , cos вх cos Ах, sin 0,-1 G = (1.6) cos 0N , cos AN , cos 9N cos Лд, , sin 0N 1 Дадим краткую характеристику методов.
Метод коррекции координат обеспечивает точные НО в ограниченной зоне около КС, поскольку рабочее созвездие, оптимальное для КС, перестает быть таковым для удаленного П. Кроме того, НО на КС и у П должны проводится обязательно по одному рабочему созвездию.
Метод коррекции НП обеспечивает повышенную точность НО на значительных удалениях от КС. Здесь ограничения связаны с явлением пространственной декорреляции системных погрешностей в силу различия углов абсервации одного КА. При эфемеридной погрешности ст = 100 м некомпенсируемая погрешность определения координат составляет 7,5 м на удалениях до 500 км.
Метод разностной коррекции НП позволяет пользователю иметь упрощенную аппаратуру, поскольку основной объем вычислений ведется на КС. Однако метод применим только на минимальных удалениях от КС, поскольку предположение о равенстве матрицы G на КС и у П справедливо только на минимальных удалениях.
По экспериментальным данным среднеквадратическая погрешность (СКП) определения координат дифференциальным методом с вероятностью Р = 0,95 в системе GPS составляет [23]: СКП (С/А код) = 18 м [2СКО], СКП(Р-код) = 12 м [2СКО]. Надежных экспериментальных данных по точности определения координат дифференциальным методом в системе ГЛОНАСС по сведениям автора нет.
Оценка точности глобальных, дифференциальных и относительных навигационных определений координат ВС
На рис. 1.7 обозначено: U, D, S, L, V, N, М, Y, G, Р - пространства сообщений; дальномерных кодов; излучаемых сигналов; радионавигационных параметров; шумов канала; помех от других КА СРНС; помех мно-голучевости, наблюдений, решений и шумов ретранслятора, соответственно; U, D, S, L, V, N, М, Y, G, Р - соответствующие им векторы; її - оператор формирования излучаемого сигнала; 12 - оператор модуляции сигнала радионавигационной информацией; {Із, Із, Із"}- оператор преобразования сигналов под действием шумов и помех; Д - оператор оценивания и решений; /5 - оператор преобразования ретранслятора.
На рис. 1.8 обозначено: U; D; S; {Lh Lj, LK}; Р; {Nh NJt NK}, V ; {Mh Mj, MK}; Y ; G - пространства сообщений, дальномерных кодов, излучаемых сигналов, радионавигационных параметров (РНП), шумов ретранслятора, шумов от сигналов других КА СРНС, комплексных шумов канала, многолучевых помех, комплексных наблюдений и решений, соответственно; причем, индекс і относится к трассе «КА-П», rnqspvibj - к трассе «КА-ретранслятор», а индекс к - к трассе «ретранслятор-П»; U, D, S, L, Р, N, V, М, Y, G - соответствующие им векторы; її - оператор формирования излучаемого сигнала; 1\ - комплексный оператор модуляции сигнала радионавигационной информацией; h - оператор преобразования сигнала ретранслятором; її - комплексный оператор преобразования сигнала под действием шумов и помех; /5 - оператор оценивания и решений.
Итак, согласно обобщенной модели каждый радиоканал формирует отличное от остальных пространство наблюдаемого сигнала Y как функцию собственных значений РНП; шумов, зависящих от функции взаимной корреляции сигналов спутников РНС с сигналом основного КА; многолучевых помех, а также шумов ретранслятора (при его наличии). Сигнал на выходе обобщенного радиоканала, представленного на рис. 1.8, в дальнейшем будем именовать обобщенным входным сигналом. Основные его энергетические и вероятностные характеристики будут рассмотрены ниже. Интегральная точность НО определяется суммарным действием многих погрешностей. Все их множество принято разбивать на две группы: - системные погрешности, включающие в себя подмножество погрешностей космического сектора с его наземным обеспечением и подмножество погрешностей за счет искажения сигнала при его передаче потребителю; - инструментальные погрешности, вызванные ошибками измерений в аппаратуре потребителя.
В проведенных исследованиях и экспериментальных проверках точности СРНС GPS рассматривается следующий перечень погрешностей;
1. Неточность прогноза эфемерид КА и ухода их бортовых шкал времени (БШВ). Эта погрешность обусловлена конечной точностью выбранных моделей движения КА и ухода его БШВ из-за неполного учета возмущающих факторов.
2. Возмущения орбиты КА и немоделируемые уходы его БШВ. Этот вид погрешности возникает из-за флуктуации параметров орбиты и БШВ под действием случайных возмущений и может быть скомпенсирован только обновлением эфемеридной информации на КА.
3. Некомпенсируемые задержки сигнала в ионосфере. Из-за неполного учета воздействий на ионосферу (периодических и сезонных изменений ионосферной рефракции, флуктуации солнечной радиации и активности образования солнечных пятен, магнитных бурь и др.), а также из-за относительно малого разноса частот для измерения ионосферной задержки двухчастотным методом (1,6 гГц и 1,2 гГц) эту задержку можно определять с точностью, соответствующей погрешности 1,0 - 2,0 м.
4. Неполный учет величины тропосферной задержки. Соответствующая погрешность определяется возможностями выбранной расчетной модели и получением для нее исходных данных. Обычно выбирается модель на основе результатов экспериментальных исследований.
5. Погрешности многолучевости. Эти погрешности возникают из-за приема потребителем сигнала КА одновременно с множеством его сигна лов-копий, отраженных от элементов окружающего ландшафта.
6. Шумы измерений. Они определяются свойствами конкретной реализации аппаратуры и принципами ее построения. Далее под величиной шумов измерений будем понимать теоретическую оценку инструментальной погрешности измерителя, которая определяется свойствами используемых в СРНС кодов и качеством фильтрации сигнала в приемнике. Они определяют верхнюю границу потенциальной точности измерителя.
Из приведенного перечня ясно, что оценка погрешностей, вызванных разными физическими явлениями, может быть только экспериментальной или на основе сложного имитационного моделирования. Поэтому для сравнения различных методов НО по их потенциальной точности воспользуемся обширным экспериментальным материалом по оценке ее компонент для СРНС GPS. С учетом аналогичности систем ГЛОНАСС и GPS допустимо предположить их идентичность и по компонентам погрешности, но с учетом вдвое большей длительности элемента кода ПСП для системы ГЛОНАСС.
Поскольку все компоненты погрешности имеют разную физическую природу, их можно полагать независимыми. Поэтому интегральную сред-неквадратическую погрешность (СКП) псевдодальности будем вычислять как среднегеометрическое входящих величин, а при расчете СКП координат потребителя зададимся средним геометрическим фактором, который согласно данным [26] для 90% случаев равен G = 3.
На основании этих предварительных замечаний для определения оценки потенциальной точности НО будем использовать расчетный метод с использованием тех компонент интегральной погрешности, которые должны быть учтены в данном методе.
При измерении по фазе несущей НО требуют увеличенного объема выборки измерений. Эта их особенность существенно ограничивает круг возможных пользователей и затрудняет использование фазовых измерений на динамичных объектах, в частности на ВС. Поэтому здесь ограничимся оценкой точности НО только при кодовых измерениях.
Энергетические и вероятностные характеристики сигнала на входе аппаратуры потребителей СРНС
Основные научные результаты, полученные в следующем:
1. Предложены высокоточные алгоритмы относительных навигационных определений в СРНС по коду и фазе несущей с одномоментными измерениями радионавигационных параметров на борту ВС и на контрольной станции, производимыми по сигналам одних и тех же КА.
2. Предложены высокоточные алгоритмы определения углового положения ВС и комплексного определения пространственных координат и углового положения ВС на основе разностно-дальномерных измерений с дискретным каналом связи и ретранслятором поля СРНС.
3. Разработана обобщенная модель трассы распространения сигналов СРНС при различных методах навигационных определений координат ВС.
4. Проведен анализ точностных характеристик существующих и предложенных методов навигационных определений с точки зрения применимости для решения задач навигации и категорированной посадки ВС. На основании полученных в 1-й главе результатов можно сделать следующие выводы:
1. Переход от дифференциального метода навигационных определений к относительным позволяет повысить точность местоопределения ВС за счет компенсации случайных системных погрешностей при условии, что интервал их корреляции превышает временной интервал между моментами измерений на ВС и объекте координации. При этом использование известных методов относительных навигационных определений для СРНС GPS выигрыш в точности составляет примерно 30%, а для СРНС ГЛОНАСС из-за большей шумовой погрешности, связанной с большей длительностью элемента кода, переход на относительные определения при кодовых измерениях практически не дает выигрыша в точности.
2. Канал связи при относительных навигационных определениях может быть построен на базе штатного канала передачи данных ВС либо путем создания вторичного радионавигационного поля СРНС с установкой ретранслятора в точке координации, причем в последнем случае упрощается решение групповых навигационных задач за счет решения их непосредственно на борту ВС.
3. Существенное повышение точности местоопределения ВС по СРНС GPS и ГЛОНАСС при относительных навигационных определениях возможно при переходе к разностно-дальномерным измерениям вектора положения ВС относительно объекта координации, позволяющим наряду с системными погрешностями космического сектора СРНС практически полностью комплексировать ионосферную и тропосферную компоненты погрешности. При этом определяющими становятся погрешность много-лучевости и шумовая погрешность, которые могут быть уменьшены за счет оптимизации приемника к работе в условиях многолучевости и ком-плексирования приемоиндикатора СРНС с инерциальной навигационной системой (ИНС), позволяющего сузить полосу пропускания приемника.
4. При использовании разностно-дальномерного способа относительных навигационных определений, комплексировании приемоиндикатора СРНС с ИНС и оптимизации приемника к работе в условиях многолучевости в случае использования высокоточного кода или измерений по фазе несущей с использованием СРНС GPS и ГЛОНАСС возможна кате-горированная посадка ВС по любой категории, в случае же использования кода пониженной точности по СРНС GPS возможна посадка лишь по 1-й категории ИКАО, а по СРНС ГЛОНАСС - некатегорированная посадка с поддержкой от высотомера малых высот.
Научные результаты, полученные в 1-й главе, изложены в работах автора [80, 82, 95 - 97,100, 101, 105,106,113, 116, 118, 123].
В настоящем разделе рассмотрены характеристики радионавигационных сигналов, поступающих потребителю либо непосредственно от КА по прямому каналу, либо через ретранслятор радионавигационного поля СРНС. С целью получения общего результаты используется обобщенная модель трассы распространения сигнала, одинаково пригодная для описания процессов его изменения в любом типе канала связи КА и потребителя. На основе полученных характеристик строится модель обобщенного входного сигнала для АП. Эта модель в дальнейшем используется при синтезе помехоустойчивого алгоритма обработки для работы в рассмотренных выше навигационных сетях и решения навигационных задач методами относительных НО. Исходными данными для анализа сигнала являются его энергетические характеристики.
Формализуем сначала модель обобщенного сигнала. Согласно выбранной его модели на вход приемника вместе с основным сигналом от КА могут приходить N отраженных помеховых сигналов. Будем полагать, что их задержка не превышает ширины их автокорреляционной функции и все N сигналов пройдут через приемник. Тогда мгновенное значение входного сигнала может быть представлено в виде суммы где А(, ТІ, со,-, ф/ - амплитуда, задержка, частота и фаза /-компоненты полного сигнала Y(t), а индекс і = 0 соответствует прямому сигналу КА. После элементарных тригонометрических преобразований эту формулу можно записать в ином виде
Выражение (2.1) представляет собой формализованную запись выбранной модели обобщенного сигнала на входе АП, а выражение (2.2) -модель интегрального входного сигнала АП в виде квазигармонической функции со случайным аргументом. Выражение (2.1) отражает структуру обобщенного сигнала и удобно для анализа его характеристик, а выражение (2.2) описывает вид сигнала в АП и полезно при анализе его параметров. В (2.1) и (2.2) все компоненты аналогичны. Поэтому перед определением энергетических характеристик входного сигнала в целом определим характеристики для его 1-й компоненты.
Пути сокращения объема информационных потоков в каналах «Земля - борт - Земля» при УВД с использованием спутниковых систем связи
В настоящем разделе рассмотрены вопросы построения аппаратуры, пригодной для работы в рассмотренных выше навигационных сетях, базирующихся на относительных НО. Раздел служит иллюстрацией и обосно 69 ванием практической реализуемости изложенных выше методов построения навигационных сетей для обеспечения многоцелевой навигации ВС.
Рассматриваются вопросы построения двух основных компонент таких сетей: бортовой навигационной аппаратуры потребителей и ретранслятора навигационного поля СРНС. Для построенной выше модели входного обобщенного сигнала методами теории оптимальной нелинейной фильтрации синтезируется приемник сигналов СРНС, нечувствительный к воздействию многолучевого радионавигационного сигнала. Дается оценка шумовой инструментальной погрешности синтезированного приемника.
В процессе синтеза приемника использованы предложенные выше идеи борьбы с многолучевостью. Они основаны на анализе общих принципов работы корреляционного приемника в условиях многолучевого поля СРНС. Поэтому предложенные методы универсальны и могут быть использованы как самостоятельный результат для повышения помехоустойчивости АП, предназначенной для традиционных НО в спутниковых РНС.
На основе требуемых характеристик сетей обосновываются и выбираются основные параметры ретранслятора и его структура.
Синтез алгоритма квазиоптимальной обработки навигационной информации в аппаратуре потребителей СРНС в условиях многолучевого приема сигналов при полетах ВС на малых высотах
Наиболее сложным вопросом реализации относительных НО является вопрос синтеза АП для работы в условиях многолучевости.
В общей постановке задачи нелинейной фильтрации полагается, что полезный сигнал является известной скалярной функцией многомерного марковского случайного вектора л (У) с компонентами А( )= {л, (/),л2 ( ) ...л„ (/)} , (2.61) представляющими собой случайные процессы. Интересующая нас информация может содержаться не во всех компонентах вектора л(/), а лишь в части из них. Последние и нужно выделить из принятого колебания y(f) с наименьшей погрешностью по выбранному критерию. При этом, хотя применительно к конкретно поставленной задаче некоторые параметры могут и не представлять интереса (их можно рассматривать как несущественные), однако уточнение знания неинформационных параметров позволяет повысить точность воспроизведения нужной компоненты вектора A (0 В качестве общего оценочного критерия выберем критерий минимума среднеквадратической ошибки.
Сигнал на входе приемника вида (2.57), ..., (2.59) можно рассматривать как многомерный марковский случайный процесс, к которому применимы методы теории нелинейной фильтрации.
В нашем случае вектор л(ґ) имеет следующую особенность. Компоненты вектора основного процесса - сигнала л0 (t) не зависят от компонент помеховых процессов - сигналов л, (t),..., Лдг ( ). Следовательно, знание компонент помеховых сигналов не может уточнять значение компонент основного сигнала л0(ґ). Поэтому в соответствии с положениями теории нелинейной фильтрации в нашем частном случае следует рассматривать фильтрацию компонент только основного процесса-сигнала л0( ), но на фоне помех л1 (f), ...,7\N (t). Такая трактовка снижает размерность задачи синтеза оптимального приемника и позволяет получить детерминированную схему приемника для произвольного числа N помеховых сигналов.
Таким образом, под компонентами фильтруемого вектора следует понимать следующие компоненты основного сигнала л, (1)=( 9,1,, в ОД. (2.62)
Дополнительно сделаем следующее замечание. В нашем случае основным РНП является То. В [35] показано, что исключение %(t) из числа фильтруемых параметров приводит к появлению ошибок: по частоте 5n = 0,2 п , (5/ = 0,1 Гц); по задержке 5Т = 0, которыми можно пренебречь без заметного ухудшения качества фильтрации. Таким образом, окончательно положим, что фильтруемый вектор состоит из 3-х компонент: л,(1)=М„т,0}. (2.63) Исходя из (2.63) и модели сигнала (2.57), ..., (2.59),синтезируем квазиоптимальный приемник для работы как по прямому, так и по ретранслированному сигналам.
В теории нелинейной фильтрации каждая компонента фильтруемого вектора задается стохастическим дифференциальным уравнением вида = а, ( .)+,!,, (/), (2.64) где ац(А,) - коэффициент сноса, n t) - нормальный белый шум с нулевым средним и дельта-корреляцией { ЛЦ( І), nn(t2)} = (1/2) N v 5(ґ2 \), ц, v = = 0,..., iV, а уравнение наблюдения определяется в виде y{t) = s(t) + /і(Г), (2.65) где s(t) - полезный сигнал, n{t) - нормальный белый шум.
Построенная в разделе 2.1 модель обобщенного сигнала соответствует уравнениям (2.64) и (2.65). При этом изменение во времени априорной плотности вероятности fVpr(t, X) случайного вектора /\(t) определяется уравнением Фокера - Планка - Колмогорова dt (2.66) РГ &К 4Ц0Э ЭО где Lpr - оператор Фокера - Планка.
Вся доступная информация о параметрах полезного сигнала содержится в апостериорной плотности вероятности W(t,\) вектора X(t). Вычисляя эту плотность вероятности с учетом априорных сведений (2.63), (2.64) и результата наблюдений y(f), после преобразований [36, 37] получаем интегро-дифференциальное уравнение Стратоновича №=Lp w{t,iy Млу ИаМд), где F(t )= [2s(tf\)y(t)-s2{t,X)l (2.67) И д)}= J... JF(t,x)w(t,x)K.- N.
Оно не имеет точного решения. Для получения физически моделируемых уравнений в теории нелинейной фильтрации используют гауссово приближение, основанное на предположении о достаточно больших отношении сигнал/шум и времени наблюдения.
