Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ непрерывности и точности навигационного обеспечения воздушных судов в гористой местности с использованием спутниковых РНС и методы их повышения 11
1.1. Анализ непрерывности и точности навигационного обеспечения ВС в гористой местности с использованием СРНС типа ГЛОНАСС и GPS 11
1.2. Обеспечение непрерывности навигационного обеспечения и повышение точности местоопределения ВС в гористой местности с использованием информационной избыточности и комплексирования РНС с космическим и наземным базированием 28
1.3. Основные результаты и выводы 33
2. Устранение аномальных ошибок местоопределения ВС, вызванных отражениями сигналов от горных образований, путем комплексирования СРНС с ИНС 34
2.1.Влияние типа подстилающей поверхности на уровень отраженного сигнала 34
2.2. Анализ вероятности появления «ложных спутников» за счет отражений от горных образований и возможности устранения их влияния путем комплексирования СРНС с ИНС 48
2.3. Основные результаты и выводы 64
3. Анализ эффективности навигационного обеспечения ВС в гористой местности с использованием ФРНС ДВ диапазона и методы ее повышения 65
3.1. Анализ влияния горных образований на условия приема сигналов ДВ ФРНС 65
3.2. Анализ точностных характеристик ДВ ФРНС при работе в гористой местности и методы их улучшения 83
3.3. Селекция сигналов поверхностных волн и разрешение многозначности фазовых измерений в ДВ ФРНС при работе в гористой местности 103
3.4. Основные результаты и выводы 111
Заключение 113
Список использованных источников 116
- Анализ непрерывности и точности навигационного обеспечения ВС в гористой местности с использованием СРНС типа ГЛОНАСС и GPS
- Обеспечение непрерывности навигационного обеспечения и повышение точности местоопределения ВС в гористой местности с использованием информационной избыточности и комплексирования РНС с космическим и наземным базированием
- Анализ вероятности появления «ложных спутников» за счет отражений от горных образований и возможности устранения их влияния путем комплексирования СРНС с ИНС
- Селекция сигналов поверхностных волн и разрешение многозначности фазовых измерений в ДВ ФРНС при работе в гористой местности
Введение к работе
Актуальность работы. Тенденция развития средств навигации и управления воздушным движением состоит в переходе на спутниковую технологию. При этом современные среднеорбитальные спутниковые радионавигационные системы (СРНС) типа ГЛОНАСС (РФ) и GPS (США) в перспективе должны стать основными навигационными системами для подавляющего большинства пользователей, нуждающихся в точном текущем определении своего места, и в первую очередь воздушных судов (ВС) гражданской авиации.
Преимущества спутниковых систем достаточно глубоко проанализированы в ряде известных работ [1 - 5]. Основным достоинством СРНС является повышенная точность определения вектора местоположения ВС, на порядок и более превышающая точности, реализуемые в РНС с наземным базированием опорных станций [6]. К тому же вектор состояния ВС, оцениваемый в СРНС, содержит, в общем случае, расширенный набор навигационных параметров (НП) и включает в себя четырехмерный вектор координат и сдвига бортовой шкалы времени (БШВ) ВС относительно шкалы времени системы (л:, у, z, At) и четырехмерный вектор скорости их изменения (x,y,z,At). Такой набор параметров, в принципе, полностью перекрывает требования разнообразных навигационных задач (НЗ), обеспечивая пользователей трехмерной маршрутной навигацией с привязкой к системе точного времени в любой точке Земного шара.
Переход полностью на спутниковую технологию, позволяющую, в принципе, решать НЗ на всех этапах полета ВС, в нашей стране сдерживается, с одной стороны, тем, что орбитальная группировка космических аппаратов (КА) отечественной СРНС ГЛОНАСС развернута не полностью [3], 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, в частности, РНС с наземным базированием опорных станций и с ИНС.
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.
Ряд аспектов проблемы комплексирования навигационных средств отражен в работах [5, 7 - 11]. Так, в [7] рассматриваются вопросы комплексирования РНС с космическим и наземным базированием, в [5] вопросы комплексирования СРНС ГЛОНАСС и GPS, в [8] - вопросы комплексирования СРНС и ИНС, в [9] - вопросы создания интегрированного оборудования навигации, посадки связи и наблюдения, в [10, 11] - вопросы улучшения характеристик целостности и непрерывности 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, недостаточно освещены в литературе вопросы реализации и оценки эффективности комплексирования РНС с космическим и наземным базированием в условиях неполного развертывания орбитальной группировки КА СРНС.
Требуют исследования и вопросы обеспечения непрерывности навигационного обеспечения ВС при комплексировании СРНС ГЛОНАСС и GPS в условиях затенения части КА рабочего созвездия, имеющего место при размещении приемоиндикатора СРНС на ВС, осуществляющих полеты в гористой местности. Актуально также исследование влияния информационной избыточности в комплексированных навигационных системах на точность местоопределения ВС.
Специфической проблемой применения СРНС для обеспечения полетов ВС в гористой местности является появление так называемых «ложных спутников», возникновение которых связано с отражениями сигналов КА от горных образований в условиях отсутствия прямого прохождения их на вход антенны приемоиндикатора (ПИ) СРНС из-за затенения КА другими горными образованиями. Наличие «ложных спутников» в случае включения их в рабочее созвездие приводит к по-
явлению аномальных ошибок местоопределения ВС. Представляет интерес проанализировань возможность устранения этих ошибок путем комплексирования СРНС с ИНС.
Наметившаяся в последнее время тенденция создания комплекси-рованных ПИ спутниковых и традиционных РНС, в частности ПИ СРНС типа ГЛОНАСС и GPS и ДВ импульсно-фазовой РНС (ИФРНС) типа «Loran-C», помимо указанных выше причин вызвана высокой степенью уязвимости СРНС по отношению к организованным помехам, как форме террористических проявлений.
Помимо указанной выше ИФРНС «Loran-C» и ее отечественного аналога ИФРНС «Тропик», обеспечивающих при больших размерах рабочей зоны (до 1600 км) достаточно высокую точность местоопределения ВС (менее 300 м), с точки зрения комплексирования с СРНС представляет также интерес многочастотная (МЧ) фазовая РНС (ФРНС) с дискретной частотной модуляцией (ДЧМ), также работающая в ДВ диапазоне. Достоинством последней является малая мощность наземных станций, что позволяет выполнять из в мобильном варианте.
ДВ ФРНС могут рассматриваться как дополнение к СРНС, так и в качестве альтернативе ей в условиях, когда решение НЗ с помощью СРНС затруднено или невозможно, что может иметь, например, место при полетах ВС в гористой местности.
Вместе с тем наличие в рабочей зоне ДВ ФРНС геометрических неоднородностей подстилающей поверхности также приводит к увеличению ошибок местоопределения ВС. Это подтверждает и опыт эксплуатации указанных систем в гористой местности [15, 16], что делает актуальным исследование факторов, приводящих к ухудшению точностных характеристик ДВ ФРНС, и разработку методов снижения влияния на них гористой местности.
К настоящему времени широкое применение получили достаточно хорошо разработанные методы расчета комплексного множителя ослабления на электрически однородных и кусочно-однородных трассах распространения радиоволн (РРВ) [14 - 19]. Однако для их практического использования необходимы программы расчета множителя ослабления, учитывающие помимо электрических неоднородностей неровности зем-
ной поверхности. При этом рельеф трассы должен задаваться численно по топографической карте, а импеданс по карте электрических свойств подстилающей поверхности.
Для работающих в ДВ диапазоне ФРНС существует также проблема разделения сигналов поверхностных и пространственных волн, которая еще более обостряется при наличии в рабочей зоне гористой местности.
Перечисленный круг вопросов и составляет предмет рассмотрения диссертационной работы. Из изложенного можно сделать вывод об актуальности проведения исследований по теме диссертации.
Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка методов повышения эффективности навигационного обеспечения воздушных судов в гористой местности с использованием радионавигационных систем с космическим и наземным базированием.
Для достижения поставленной цели необходимо было решение следующих задач:
Анализ ухудшения показателей непрерывности и точности навигационного обеспечения ВС в гористой местности с использованием СРНС, вызванного затенением части космических аппаратов рабочего созвездия горными образованиями, и возможности их улучшения за счет информационной избыточности и комплексирования РНС с космическим и наземным базированием опорных станций.
Анализ вероятности возникновения аномальных ошибок место-определения ВС с использованием СРНС, вызванных отражениями сигналов от горных образований, и возможности устранения их путем комплексирования СРНС с ИНС.
Анализ влияния горных образований на точностные характеристики ФРНС ДВ диапазона при работе в гористой местности и разработка методов их улучшения.
Анализ эффективности методов селекции сигналов поверхностных волн и разрешения многозначности фазовых измерений в ДВ ФРНС при работе в гористой местности и их совершенствование.
Методы исследований. При решении перечисленных задач в работе были использованы прикладные методы теории вероятностей и теории случайных процессов и методы математического моделирования.
Научная новизна работы. Научная новизна диссертации состоит в том, что в ней впервые проведен системный анализ особенностей использования систем спутниковой навигации и фазовых радионавигационных систем длинноволнового диапазона для навигационного обеспечения полетов воздушных судов в гористой местности и выработаны рекомендации по уменьшению негативного влияния горных образований на качество функционирования указанных систем.
В диссертации получены следующие основные результаты:
разработаны математические модели учета влияния гористой местности на работоспособность и точностные характеристики спутниковых РНС и многочастотных и импульсных фазовых РНС ДВ диапазона;
на основе разработанных моделей проведен теоретический анализ точностных и надежностных характеристик рассматриваемых РНС с космическим и наземным базированием опорных станций при обеспечении полетов ВС в гористой местности;
разработан алгоритм оценки повышения точности местоопреде-ления ВС по РНС с космическим и наземным базированием опорных станций при использовании избыточного числа источников информации;
предложен способ устранения аномальных ошибок местоопре-деления ВС, вызванных отражениями сигналов СРНС от горных образований, основанный на оценке расхождения радионавигационных параметров, измеренных в приемоиндикаторе СРНС и рассчитанных по данным ИНС;
предложен усовершенствованный алгоритм ввода поправок на распространение радиоволн, позволяющий учитывать влияние горных образований в рабочей зоне ДВ ФРНС на оценку навигационных параметров;
предложен усовершенствованный способ разделения поверхностного и пространственного сигналов многочастотной ФРНС с примене-
ниєм метода наименьших квадратов, позволяющий учитывать влияние горных образований в рабочей зоне системы и осуществлять надежное разрешение многозначности фазовых измерений при использовании ФРНС для обеспечения полетов ВС в гористой местности. На защиту выносятся:
Результаты теоретического анализа основных факторов, влияющих на точностные и надежностные характеристики приемоиндикаторов спутниковых РНС и фазовых РНС ДВ диапазона с многочастотным и импульсным сигналами, при использовании указанных навигационных средств для обеспечения полетов ВС в гористой местности.
Результаты математического моделирования влияния, горных образований в рабочих зонах СРНС и ДВ ФРНС на показатели непрерывности и точности навигационных определений при полетах ВС в гористой местности.
Методы улучшения навигационных определений ВС по СРНС и ДВ ФРНС при полетах в гористой местности.
Практическая значимость работы состоит в том, что полученные в ней результаты позволяют:
повысить точность и надежность навигационных определений по СРНС и ДВ ФРНС при полетах ВС в гористой местности путем совершенствования алгоритмов обработки сигналов РНС, рационального выбора их геометрической конфигурации и комплексирования с другими навигационными средствами;
расширить функциональные возможности традиционных средств навигации ВС - РНС с наземным базированием и ИНС, обладающих худшими по сравнению с СРНС точностными характеристиками, путем использования их для обеспечения непрерывности навигационных определений по СРНС и устранения аномальных ошибок в них при полетах ВС в гористой местности;
повысить безопасность полетов ВС в гористой местности за счет повышения непрерывности и точности навигационных определений в комплексированной системе навигации ВС.
Внедрение результатов. Основные результаты диссертации внедрены в Московском конструкторском бюро «Компас» и в МГТУ ГА, что подтверждено соответствующими актами.
Апробация результатов. Материалы диссертации докладывались на Международной научно-практической конференции Сибирского авиационно-космического салона «САКС - 2002» (г.Красноярск, Сиб-ГАУ, 2002 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы радиоэлектроники», посвященной Дню радио (г. Красноярск, КГТУ, 2004 г.) и на научно-техническом семинаре «Концепция создания интегрированного оборудования навигации, посадки, связи и наблюдения» (г.Москва, МГТУ ГА и МКБ «Компас», 2000 г.).
Публикация результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в 5 статьях и 4 тезисах докладов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованных источников.
Диссертация содержит 121 страницу текста, 46 рисунков, 16 таблиц и библиографию из 64 наименований.
Анализ непрерывности и точности навигационного обеспечения ВС в гористой местности с использованием СРНС типа ГЛОНАСС и GPS
Концепция развития системы организации воздушного движения РФ предполагает в перспективе широкое использование спутниковой технологии для решения задач навигации воздушных судов на всех этапах полета, включая этапы захода на посадку и посадки [20].
Использование спутниковых радионавигационных систем (СРНС) в авиации определяется возможностями удовлетворения предъявляемых высоких требований к точности и надежности навигационных определений. Так, при следовании магистральных ВС по маршруту СКО определения плановых координат колеблется от 5,8 км (при полетах над океаном и безориентирной местностью) до 1250 м (при ширине трассы 10 км) [3]. При маршрутном полете на местных воздушных линиях (MBЛ) СКО колеблется от 500 м (для MB Л 1-й категории) до 250 м (для MB Л 2-й категории). При полетах ВС в зоне аэродрома СКО должна составлять 200 м. Одновременно к средствам обеспечения самолетовождения предъявляются высокие требования по надежности. Так, согласно [21] необходимо обеспечение доступности, мерой которой является вероятность работоспособности РНС перед и в процессе выполнения задачи, и целостности, мерой которой является вероятность выявления отказа в течение времени, не превышающего заданное, составляет не менее 0,999 при допустимом времени предупреждения не более 10 с.
С учетом того, что СКО определения координат с помощью СРНС ГЛОНАСС и GPS при полетах ВС по маршруту не превышает 35 - 50 м, бортовая аппаратура этих систем из соображений точности пригодна для выполнения указанных задач. В то же время принципы построения и конкретные временные характеристики систем ГЛОНАСС и GPS по выявлению отказов и оповещению потребителей о возможных нарушениях в работе не позволяют считать бортовую аппаратуру СРНС пригодной к использованию в качестве основного средства навигации ВС без принятия мер по выявлению и исключению измерений, подверженных нарушениям. Такими мерами являются разработка и реализация алгоритмов контроля целостности в приемоиндикаторе СРНС (RAIM) и в навигационном комплексе (AAIM).
Рассмотрим с точки зрения непрерывности навигационного обеспечения ВС отечественную СРНС ГЛОНАСС. Под непрерывностью обслуживания понимается обеспечение системой гарантированных тактико-техническими требованиями (ТТТ) характеристик во всей рабочей зоне в любое время суток.
Космический сектор СРНС ГЛОНАСС в перспективе должен содержать 24 космических аппарата (КА), из которых 21 КА должен обеспечивать навигационные измерения, а остальные 3 КА, находясь в орбитальном резерве, служат для замены вышедших из строя КА.
При решении навигационной задачи в трехмерном пространстве, когда определению подлежат плановые координаты ВС ф (широта) и X (долгота), высота полета h и сдвиг 7" бортовой шкалы времени (БШВ) приемоиндикатора СРНС относительно шкалы времени КА минимально необходимое число КА в рабочем созвездии равно четырем. Информация о нештатной работе одного из КА рабочего созвездия с автоматическим исключением из обработки его информации и сохранением гарантированной ТТТ точности местоопределения ВС может быть получена при наличии в рабочем созвездии не менее двух избыточных КА.
В принципе при полном развертывании космического сектора СРНС ГЛОНАСС она должна обеспечивать стопроцентную вероятность одновременного наблюдения четырех КА в любое время суток в любой точке Земного шара.
Однако в настоящее время СРНС ГЛОНАСС развернута не полностью. Так, согласно [22] по состоянию на 0.02.2000 г. из 16-ти развернутых КА находились в работоспособном состоянии лишь 9-ть КА. Имеющие при этом место характеристики видимости КА в Информационно-аналитическом центре Координатно-Временного Обеспечения Центра управления полетами (ИАЦ КВО ЦУП) (г.Королев Московской области) приведены на рис. 1.1. Полученные в результате анализа этой диаграммы данные о продолжительности времени наблюдаемости в течение суток (7) числа КА (пщ) приведены в табл. 1.1.
В табл. 1.2 приведены расчетные данные по непрерывности навигационного обеспечения ВС с помощью СРНС ГЛОНАСС при развертывании 12-ти КА, расположенных по 6-ти КА в двух орбитальных плоскостях. При этом полагается, что число одновременно наблюдаемых КА не менее 4-х (минимально необходимое число КА для местоопределения в трехмерном пространстве).
Как видно из табл. 1.1 и табл. 1.2, при современном состоянии орбитальной группировки КА СРНС ГЛОНАСС, характеризующемся неполным развертыванием группировки и большим числом неработоспособных КА, в случае автономного использования СРНС ГЛОНАСС совершенно не удовлетворяются требования по непрерывности навигационного обеспечения ВС. Отсюда непосредственно вытекает целесообразность комплексирования СРНС ГЛОНАСС и GPS. На рис. 1.2 приведены заимствованные из [3] гистограммы распределения числа видимых КА для полностью развернутой СРНС GPS (27 КА), частично развернутой СРНС ГЛОНАСС (12КА) и для случая совместного использования указанных орбитальных группировок КА.
Как видно из приведенных гистограмм, при полностью развернутой СРНС GPS обеспечивается стопроцентная вероятность решения навигационной задачи местоопределения ВС в трехмерном пространстве с автоматическим исключением из обработки одного нештатно работающего КА в рабочем созвездии и сохранением гарантированной ТТТ точности местоопределения (число видимых КА не менее 6-ти). При совместном использовании СРНС ГЛОНАСС и GPS это также заведомо выполняется. При этом имеет место значительная информационная избыточность (число видимых КА не менее 10-ти).
Проблема сохранения непрерывности навигационного обеспечения ВС даже при полностью развернутой орбитальной группировке КА СРНС обостряется при полетах ВС в гористой местности, поскольку работа СРНС в этих условиях имеет ряд особенностей. К их числу относятся: экранирование горными препятствиями прямых сигналов на линии КА - ВС, возможность захвата и сопровождения отраженных сигналов, наличие дифракционных электромагнитных волн, огибающих горные препятствия.
Обеспечение непрерывности навигационного обеспечения и повышение точности местоопределения ВС в гористой местности с использованием информационной избыточности и комплексирования РНС с космическим и наземным базированием
Проиллюстрируем возможность повышения надежности навигационного обеспечения ВС за счет использования избыточных КА либо комплексирования СРНС с РНС с наземным базированием опорных станций простым примером. Из соображений большей наглядности рассмотрим случай, когда определяемыми являются плановые координаты: ф (широта) и X (долгота). Исключение из рассмотрения третьей определяемой координаты - Н (высоты) в данном случае условно и позволяет перейти от объемного рассмотрения навигационной задачи к плоскостному.
Минимальное необходимое число КА для определения плановых координат ф и X равно трем. Времена прихода от них сигналов измеряются в приемоиндикаторе относительно его собственной шкалы времени. Так как сдвиг т этой шкалы относительно шкалы времени КА неизвестен, то количество неизвестных равно трем: ф , X и т .
Три измерения времен прихода сигналов от трех КА позволяет составить три уравнения с тремя упомянутыми неизвестными и вычислить их [3]. Решать систему уравнений можно, например, путем вычитания из времен прихода сигналов от двух КА времени прихода сигнала от третьего КА (разностно-дальномерный способ). При этом исключается одна неизвестная - т . В результате получится два уравнения с двумя неизвестными. Каждое из этих уравнений будет определять линию положения (гиперболу). На их пересечении находится объект, координаты которого определяются (в нашем случае - ВС). Графически это показано на рис 1.11а, где точка пересечения А линий положения ЛП\ и ЛПг определяет координаты фо и XQ ВС. Таким образом, три КА (при разност-но-дальномерном способе) - минимально необходимое количество КА для определения плановых координат ф0 и XQ ВС на эллипсоиде Земли. Если один из КА работает неправильно (со смещением временного положения сигнала), то сместится одна из линий положения, и соответственно точка А, и координаты ВС будут измерены с грубой ошибкой («невязкой»). Однако приемоиндикатор при работе по трем КА информации об этом выдать не может. Если добавить еще один КА (избыточный) и приемоиндикатор будет принимать сигналы четырех КА, то, работая аналогичным образом, он будет формировать три линии положения. При нормальной работе КА, теоретически линии положения пересекутся в одной точке. Однако из-за погрешностей, обусловленных помехами и другими возмущающими факторами, линии положения пересекаются не в одной точке, образуя треугольник ошибок ABC (рис. 1.116). Измеренные координаты ф0 и Х0 будут определяться точкой, расположенной внутри этого треугольника. Малые размеры треугольника ошибок в пределах норм, определяемых тактико-техническими требованиями, являются критерием правильности работы всех четырех КА. Если один из КА работает нештатно, с ошибкой, превышающей допустимую, связанная с этим линия положения, например ЛП3, сместится. При этом треугольник ошибок АСВ увеличится (рис. 1.11 в). При наличии одной избыточной станции приемоиндикатора может быть получена информация о нештатной работе одного из КА, приведшей к смещению ЛП на величину, превышающую установленный допуск, и соответственно к выходу из допусков точности местоопределения ВС. Если приемоиндикатор принимает сигналы пяти КА(два избыточных), то формируются четыре ЛП. Если один из КА работает нештатно, например, сигнал от него попал на вход приемоиндикатора в результате отражения от горного образования и связанная с ним ЛП смещена, то получим ситуацию, показанную на рис. 1.11г. Из рисунка видно, что три линии положения (ЛПи ЛПг и ЛП4) образуют треугольник ошибок ADE малых размеров. Именно они используются в приемоиндикаторе для определения координат ВС, а ЛІ73 из обработки исключается, так как она с любой другой парой линий положения образует треугольник ошибок больших размеров. Таким образом, прием сигналов двух избыточных КА позволяет полностью удовлетворить требование по непрерывности обслуживания. Аналогичная ситуация имеет место при обработке коор-динатно-временной информации в СРНС при местоопределении ВС в трехмерном пространстве. В этом случае количество неизвестных четыре: ф, X, Н, т. При этом для определения координат ВС необходимы сигналы не менее, чем от четырех КА.
Информация о нештатной работе одного из КА рабочего созвездия может быть получена от приемоиндикатора при одном избыточном КА, то есть при наличии в рабочем созвездии не менее пяти КА. При этом сам оператор должен принять решение, продолжать ли пользоваться неточной информацией от приемоиндикатора. Только при приеме сигналов от шести или более КА в приемоиндикаторе автоматически может быть определен КА, работающий в нештатном режиме. Его информация может быть исключена из обработки. При этом сохраняется гарантированная тактико-техническими требованиями точность местоопределе-ния. Причем, участие оператора в принятии решения о достоверности показаний приемоиндикатора не требуется. Из изложенного можно сделать вывод о том, что проблема непрерывности навигационного обеспечения ВС может быть решена в рамках единой координатно-временной системы, включающей в себя различные РНС как с космическим, так и наземным базированием опорных станций. При этом наиболее эффективно комплексное использование разнородных РНС может быть осуществлено при их привязке к системе единого времени (СЕВ). Единая временная основа позволит осуществлять совместную обработку навигационной информации на уровне измерения радионавигационных параметров (РНП), формируемых различными опорными точками, в качестве которых могут использоваться как КА СРНС, так и станции РНС с наземным базированием, в частности, наиболее точной из них импульсно-фазовой РНС (ИФРНС) типа «Loran-C» (или ее отечественного аналога - ИФРНС «Тропик»). При этом, хотя комплексирование СРНС с РНС с наземным базированием в силу более низкой точности последней и не дает ощутимого повышения результирующей точности местоопределения, однако оно повышает вероятность решения навигационной задачи за счет избыточности навигационных измерений, обеспечивающей контроль качества функционирования спутниковой подсистемы комплексированной системы навигационного обеспечения ВС в реальном масштабе времени.
Анализ вероятности появления «ложных спутников» за счет отражений от горных образований и возможности устранения их влияния путем комплексирования СРНС с ИНС
Как следует из рис. 2.1 — 2.6, при полетах ВС на малых высотах над голой пересеченной местностью или лиственным лесом отражения сигналов КА с малыми углами места (у = 5 - 10) приводят к уменьшению сигнал/помеха по мощности qn до 7 - 10, что соответствует ослаблению отраженного сигнала по отношению к падающему на 8,5 — 10 дБ. С учетом того, что динамический диапазон изменений уровня в СРНС, определяемый различием условий распространения сигналов от входящих в рабочее созвездие КА, имеет примерно такой же порядок, можно сделать вывод о возможности регистрации, этих отражений в качестве сигналов от «ложных спутников».
Заметим, что «зеркальные» отражения от скальных горных образований, содержащие преимущественно когерентную компоненту, приводят, как показывает анализ, к еще меньшему ослаблению отраженного сигнала ( 2 - 3 дБ), что приводит к еще большей вероятности регистрации таких отражений в качестве сигналов от «ложных спутников».
С использованием рассмотренной в разделе 1.1 модели горных образований методом математического моделирования была дана оценка вероятности появления различного числа «ложных спутников» плс в зависимости от высоты полета ВС hsc .Результаты моделирования, проведенного для того же, что и в разделе 1.1 района Кавказских гор применительно к СРНС ГЛОНАСС для случая полного развертывания ее космического сектора, приведены на рис. 2.7.
Как видим, вероятность появления хотя бы одного «ложного спутника» достаточно высока (Р и 0,1), что свидетельствует об актуальности разработки методов устранения влияния этого эффекта на результирующую точность местоопределения. Это тем более актуально, что аномальные ошибки из-за «ложных спутников» не определяются автоматически в отличие от аномальных ошибок, вызванных нештатной работой КА, для определения и исключения которых предназначена функция RAIM [32] автономного определения целостности в приемоиндикаторе СРНС. При этом под целостностью понимается уровень доверия к информации, предоставляемой навигационной системой. В нее включаются такие параметры как максимальное время оповещения о нештатной работе КА, предупреждение о превышении величины ошибки местооп-ределения предельно допустимого уровня и вероятность ошибочной информации.
Представляет интерес рассмотреть возможность устранения аномальных ошибок местоопределения ВС в гористой местности, вызванных появлением «ложных спутников», путем комплексирования прие-моиндикатора СРНС с инерциальной навигационной системой (ИНС). Идея этого метода заключается в оценке расхождения («невязок») в значениях радионавигационных параметров (РНП), определенных по СРНС и вычисленных на основании определения места ВС с помощью ИНС. В определенном смысле этот метод аналогичен методу улучшения функции RAIM, применяемому в комплексированных системах СРНС - ИНС [33].
Как отмечалось в [33], в таких системах в качестве объекта наблюдения «невязок» целесообразно использовать не координаты ВС, а скорости их изменения. Это связано с тем, что в ИНС информация о скорости является базовой. На основе нее осуществляется счисление координат подвижного объекта. При этом, поскольку собственный вычислитель инерциального измерительного блока, как правило, обладает низкой производительностью, накопление ошибок по координатам (долготе и широте) будет значительным. Так, у ИНС типа И-21, широко применяемой на ВС гражданской авиации, накопленная ошибка достигает единиц километров на час полета.
Рассмотрим предлагаемый алгоритм (рис. 2.8). В момент времени tk (рис. 2.9) при штатной работе всех КА рабочего созвездия и ИНС формируется вектор разностей скоростей Avk, измеренных приемоинди-катором СРНС v и инерциальной навигационной системой vk также в момент времени.
Селекция сигналов поверхностных волн и разрешение многозначности фазовых измерений в ДВ ФРНС при работе в гористой местности
В рассматриваемом варианте расположения наземных станций ФРНС (рис. 3.1) влиянию гористой местности подвергаются сигналы станции ВМ1, что приводит к увеличению СКО определения РНП ті для пары наземных станций ВЩ - ВМ1. Поскольку сигналы станции ВМ1 подвергаются искажению на трассе РРВ №1, а сигналы станций ВЩ и ВМ2 распространяются над гладкой поверхностью суши с проводимостью а = 0,005 См/м (рис. 3.16) величина оп для пары ВЩ - ВМ1 определяется в основном значением а„вт (а„ « оПвт), так как а„вш » о„вщ . СКО временного положения ОТВЧ за счет флуктуационных помех с учетом нормального распределения фазы сигнала, имеющего место при большом отношении сигнал/шум, определяется по формуле [23] где/о - частота заполнения КФ, М- количество циклов обработки по которому осуществляется усреднение оценки времени прихода сигнала. При распространении сигналов по трассе РРВ №1 для М= 4 имеем ст„ « 0,06 мкс. С учетом того, что допустимая ошибка в определении РНП, определяемая влиянием флуктуационных помех, на расстояниях превышающих 700 км (в дальней зоне) ограничена величиной 0,2 мкс, для любой пары ВЩ - ВМ величина а„ находится в допустимых пределах. СКО за счет распространения радиоволн appe « GpePBMl для плеча ВЩ-ВМ1 , составляющая 1,78 мкс (табл. 3.6), превосходит допустимое значение а для дальней зоны равное 0,2 мкс. Для плеча ВЩ — ВМ2 cjppe не превышает заданного значения, так как сигналы этих станций не подвержены влиянию гористой местности. Поскольку окончательное изменение РНП выполняется по ВЧ заполнению КФ, необходимо обеспечить высокую надежность разрешения многозначности при переходе от грубого отсчета по ХТО КФ к точному отсчету по ОТВЧ заполнения КФ. Суммарная ошибка в определении временного положения ХТО, имеющая как постоянную составляющую, обусловленную дисперсионными свойствами подстилающей поверхности и переходными процессами в узкополосных трактах приемника, так и переменную составляющую, обусловленную шумами и погрешностями синтеза сигнала, не должна превышать величины 0,5 Г0, где Го — период ВЧ заполнения КФ.
Вероятность однозначного определения фазы в отсутствие искажений, связанных с воздействием пространственной волны и с учетом операции усреднения по 16 циклам обработки для станции ВМ1 на трассе РРВ №1 составляет Рфвмі = 0,999, что соответствует заданной для МЧ ФРНС величине.
В табл. 3.9 приведены значения рассмотренных выше составляющих ошибки определения РНП для плеча ВЩ- ВМ1 Сті, полученные при моделировании влияния гористой местности на ДЧМ сигнал по трассе РРВ №1 в сравнении с допустимыми значениями, обеспечивающими гарантированную в МЧ ФРНС точность местоопределения.
На основании приведенных данных, полученных при исследовании наиболее неблагоприятных трасс РРВ, можно сделать вывод о том, что в результате влияния гористой местности на сигналы МЧ ФРНС точностные характеристики последней могут существенно ухудшаться. Определение места ВС с использованием последней возможно с ошибкой, превышающей допустимую в 2,7 раза для трассы №1. Можно сделать вывод о возможности использования предложенной модели для оценки точностных характеристик ДВ ФРНС при работе в гористой местности и расчета поправок на геометрические неоднородности. Это дает возможность при достаточном уровне сигнала устранить составляющие ошибки за счет дополнительной задержки сигнала поверхностной волны и смещения ХТО относительно отсчетной точки ВЧ заполнения путем ввода поправок на влияние геометрических неодно-родностей подстилающей поверхности. Кроме того, совместный учет геометрического фактора и экранирующего воздействия гористой местности на основе модели позволяет оптимальным образом размесить наземные станции ДВ ФРНС и определить рабочую зону при развертывании системы, а также провести рациональный выбор эшелонов и воздушных трасс при ее эксплуатации.
Представляет интерес оценить также влияние гористой местности на импульсно-фазовые РНС (ИФРНС) типа «Loran-C» и ее отечественного аналога.
Сигнал ИФРНС «Loran-C», представляет собой радиоимпульс, огибающая которого описывается выражением где /„ - длительность фронта импульса, tu = 65 мкс. Несущая частота излучаемых опорными станциями радиоимпульсов =100 кГц.
Для устранения помех от пространственной волны измерение РНП проводится в конце третьего периода ВЧ (рис. 3.17) по ХТО, удаленной от начала импульса на 30 мкс. Начальная часть переднего фронта импульса остается неискаженной, так как пространственный сигнал запаздывает относительно поверхностного более чем на 40 мкс.
Наземные станции системы «Loran-C» излучают сигналы на одной несущей частоте. При этом 99% энергии излучается на участке спектра от 90 до 110 кГц. С целью исключения взаимных помех между станциями цепи ИФРНС используется временное разделение сигналов. При этом каждая станция излучает пачку из 8 импульсов с интервалами между ними - 1 мс.
