Содержание к диссертации
Введение 8
1. ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ НАВИГАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ С ПОМОЩЬЮ ШИРОКОЗОННЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ПОДСИСТЕМ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ РАДИОНАВИГАЦИИ, УВД И СВЯЗИ
1.1. Анализ спутниковых систем радионавигации воздушных судов и систем управления воздушным движением ГЛОНАСС, GPS и Галилео 18
1.2. Анализ спутниковых каналов передачи данных широкозонных, региональных и локальных дифференциальных подсистем спутниковых систем радионавигации, посадки УВД с АЗН и связи. (WAAS, EGNOS, MSAS) 24
1.3. Исследование влияния комплексной нелинейности ретранслятора на показатели качества каналов передачи данных широкозонных дифференциальных подсистем СРНС, УВД и связи с МДЧР, МДВР и МДКР 32
1.3.1. Анализ каналов передачи данных ШДПС СРНС и ССС с МДЧР и МДВР .32 1.3.2.Нелинейные СВЧусилители мощности ретрансляторов СРНС и ССС 33 1.3.3.Нелинейные АМ/АМ, АМ/ФМ преобразования в ретрансляторах ССС. 33
1.3.4. Оценка влияние нелинейности РТР на параметры ШДПС СРНС 35
1.3.5. Снижение выходной мощности нелинейного РТР 36
1.3.6. Подавление сильными сигналами слабых в нелинейном РТР 36
1.3.7. Продукты интермодуляционных искажений на выходе нелинейного РТР.З 6
1.4. Выбор показателей эффективности и требования к навигационному обеспечению к целостности, надёжности и безопасности полётов ВС обеспечиваемых СРНС. 37
1.5. Анализ методов радионавигационного обеспечения воздушных судов с помощью ретрансляторов на навигационных космических аппаратах 43
1.6. Геометрические свойства методов измерений и функциональные связи между навигационными параметрами и координатами ВС в СРНС 48
1.7. Увеличение точности определения координат воздушных судов при малом числе измерений за счёт использования метода наименьших квадратов .55
1.8. Повышение точности определения координат воздушных судов за счёт применения дифференциальных режимов работы СРНС 65
1.8.1. Необходимость дифференциального режима работы СРНС 65
1.8.2. Структура определения точности дифференциальных подсистем СРНС. 66
1.8.3. Основные методы дифференциальных определений в СРНС 67
1.8.4. Методы коррекции координат аппаратуры потребителей 68
1.8.5. Методы коррекции навигационных параметров 69
1.8.6. Методы разностной коррекции навигационного параметра 70
1.8.7. Дифференциальный режим с коррекцией координат 71
1.8.8. Дифференциальный режим с относительными координатами 71
1.8.9. Дифференциальный режим с использованием псевдоспутников 74
1.9. Контроль целостности и достоверности передачи корректирующей
информации передаваемой ВС в дифференциальном режиме СРНС 75
1.10. Оценка влияния остаточной погрешности на точностные характеристики дифференциального метода СРНС определения координат воздушных судов.. 80
1.11. Анализ эффективности навигационного обеспечения и УВД ВС, на основе дифференциальных подсистем СРНС ГЛОНАСС, GPS и Галилео... 85
1.12. Цели и задачи теоретических и экспериментальных исследований 93
1.13. Основные результаты и выводы по 1 главе 95
2. РАЗРАБОТКА АНАЛИТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА РЕТРАНСЛЯЦИИ ПОТРЕБИТЕЛЯМ НАВИГАЦИОННЫХ ПОПРАВОК И СОСТОЯНИИ ЦЕЛОСТНОСТИ ШИРОКОЗОННЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ПОДСИСТЕМ СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ УВД И СВЯЗИ (Методы исследования нелинейных спутниковых каналов передачи данных СРНС)
2.1.Классификация и сравнительный анализ электродинамических, функциональных и квазистатических методов оценки интермодуляционных искажений на выходе нелинейного ретранслятора спутниковых систем радионавигации, УВД и связи.. 98
2.2.Сравнительный анализ квазистатических методов оценки уровня интермодуля ционных искажений в каналах передачи навигационных данных через нелинейный ретранслятор широкозонных дифференциальных подсистем СРНС и связи 103
2.3.Математическое обеспечение спутниковых каналов передачи навигационных данных и корректирующих поправок систем радионавигации, УВД и связи,
учитывающих влияние комплексной нелинейности ретранслятора 111
2.3.1. Основные требования, предъявляемые к разрабатываемому методу 111
2.5.2.Модель многостанционных каналов связи с ретранслятором 111
2.3.3. Математическая модель многочастотного сигнала на входе ретранслятора 112
2.3.4.Математическая модель ретранслятора с комплексной нелинейностью... 113 2.3.5.Напряжение на выходе ретранслятора с комплексной нелинейностью .114
2.3.6. Условия попадания продуктов ИМИ в полосы частот полезных сигналов... 114
2.3.7. Прохождениенесколькихмодулированных сигналов через ретранслятор 114
2.4. Квазистатический метод характеристических функций определения спектра на выходе ретранслятора с комплексной нелинейностью космических ап паратов спутниковых систем радионавигации, управления и связи 115
2.4.1. Аппроксимации передаточных нелинейных характеристик АХ и ФАХ РТР. 115
2.4.2. Квазистатический метод двойного преобразования Фурье 115
2.4.3.Мегтод характеристических функций. Бесселевая аппроксимацияУКН.. 117
2.5. Разработка математических, инженерных методов определения мощности полезных сигналов и продуктов интермодуляционных искажений на выходе ретранслятора с комплексной нелинейностью ШДПС СРНС иССС 120
2.6.0ценка достоверности расчётов проводимых квазистатическим методом характери стических функций при изменении параметров исходных данных, вводимых в ЭВМ. 124
2.7. Разработка проблемно-ориентированного пакета программ, формы представления результатов исследований и методология математического обеспечения каналов пере дачи данных ШДПС СРНС, УВД и связи с учётом влияния нелинейности РТР 126
2.8.Разработка экспериментальной СВЧ установки полунатурной модели спут никового канала передачи данных ШДПС СРНС с нелинейным РТР 134
Методика измерения односигнальных энергетических и фазоамплитудных передаточных характеристик каналов связи с нелинейным РТР ШДПС СРНС .139
2.10. Методика обнаружения координат и измерения мощности продуктов интермодуляционных искажений на выходе ретранслятора в многосигнальном режиме... 145
2.11. Экспериментальная оценка правомерности и точности расчётов каналов передачи навигационных данных и корректирующих поправок ШДПС СРНС, выполненных квазистатическим методом характеристических функций. Сравнение результатов экспериментальных и расчётно-аналитических исследований. 152
2.12. Основные результаты и выводы по 2 главе 160
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТРЕБУОЕМЫХ НАВИГАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ШДПС СРНС ПУТЁМ ОПТИМИЗАЦИИ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ КОРРЕКТИРУЮЩИХ НАВИГАЦИОННЫХ ДАННЫХ О СОСТОЯНИИ ЦЕЛОСТНОСТИ СИСТЕМЫ, ЗА СЧЁТ СНИЖЕНИЯ ВЛИЯНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ НЕЛИНЕЙНОСТИ РЕТРАНСЛЯТОРА НАВИГАЦИОННЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
3.1. Оптимизируемая целевая функция, потенциальная и оптимальная помехо устойчивость (пропускная способность) идеализированных и реальных каналов передачи данных ШДПС СРНС ГЛОНАСС, GPS, систем УВД и связи 163
3.1.1. Оптимизируемая целевая функция реальных каналов передачи данных .163
3.1.2. Потенциальная и оптимальная пропускные способности идеализированных систем... 164
5.7.5.Критерии оценки эффективности спутниковых каналов передачи данных 165
3.1.4. Идеализированные каналы передачи данных ГЛОНАСС, ССС с МДЧР...166
3.1.5. Идеализированные спутниковые каналы передачи данных GPS (МДВР) 166
3.1.6. Оптимальная пропускная способность идеализированных каналов связи... 167 3.2.Ансамбль помехоустойчивых свёрточных-, циклических кодов, частотно- и фазоманипулированных сигналов, спутниковых каналов передачи данных систем УВДШДПС СРНС ГЛОНАС, GPS, Галилео и ССС 168
33. Оценка энергетической эффективности обобщённого конструктивного параметра каналов передачи навигационных корректирующих поправок ШДПС СРНС и ССС. 172 ЗАОценка оптимального сигнала в идеализированных каналах передачи данньк в ШДПС СРНС и ССС с учётом обобщённого энергетического параметра канала связи.. 175
3.5. Оценка влияния комплексной нелинейности спутника-ретранслятора на энергетические показатели качества функционирования каналов передачи навигационных данных и корректирующих поправок ШДПС СРНС 179
3.5.1. Методика оценка влияния продуктов интермодуляционных искажений на величину энергетического проигрыша канала передачи данных ШДПС СРНС... 179
3.5.2. Методика оценки влияния уменьшения выходной мощности спутника- ретранслятора на энергетику канала передачи данных ШДПС СРНС 182
3.5.3. Методика оценка влияния продуктов интермодуляционных искажений и уменьшения выходной мощности ретранслятора с комплексной нелинейностью на величину энергетического проигрыша канала передачи данных ШДПС СРНС... 183
3.6. Оценки оптимального сигнала по критерию обеспечения максимальной пропускной способности РТР в реальных каналах передачи данных ШДПС СРНС и ССС с учётом совместного влияния комплексной нелинейности РТР и нестабильности частот... 186
3.7.Повышение целостности и достоверности каналов передачи данных и коррек тирующих поправок ШДПС СРНС путём снижения влияния нелинейности ретранс лятора за счёт квазиоптимальньгх неравномерно-групповых расстановок частот... 196
3.8. Оценка минимальной величины энергетического проигрыша реальных систем ШДПС СРНС ГЛОНАСС, ССС с МДЧР при неравномерной расстановке частот...201
3.9. Выбор оптимального сигнала в каналах передачи данных СРНС, ССС с учётом влияния нелинейности РТР и неравномерно-групповой расстановки частот 205
ЗЛО.Обеспечения требуемых навигационных характеристик СРНС за счёт уменьшения влияния АМ/АМ, АМ/ФМпреобразований. Моделирование АХ и ФАХ 208
3.11. Методы увеличения эффективности систем обеспечения требуемых навигационных характеристик ШДПС СРНС, ССС путём оптимизации каналов передачи данных за счёт уменьшения влияния АМ/АМ, АМ/ФМ преобразований ретранслятора.. 211
3.12. Основные результаты и выводы поЗ главе 223
4. ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ НАВИГАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ И УВД ОБЪЕДИНЁННЫХ СПУТНИКОВЫХ НАВИГАЦИОННО-СВЯЗНЫХ СИСТЕМ ГЛОНАСС/GPS /ГАЛИЛЕО ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ ПОМЕХ НА РЕТРАНСЛЯТОР КОМПЛЕКСНОЙ НЕЛИНЕЙНОСТЬЮ
4.1. Оценка обеспечения точности навигационных характеристик и организа ция УВД СРНС ГЛОНАСС и GPS с использованием ШДПС WAAS, EGNOS, MSAS при полете воздушных судов по маршруту 228
4.2. Обеспечение требуемых навигационных характеристик ШДПС СРНС ГЛОНАСС, GPS и систем УВД при заходе воздушных судов на посадку .232
4.2.1. Требования к функциям контроля целостности при заходе ВС на посадку .232
4.2.2. Адаптивная комплексная обработка навигационной информации 236
4.2.3. Заход воздушного судна на посадку в условиях первой категории.. 240 43. Применение ШДПС СРНС для решения специальныхзадач навигации и УВД 242
4.4. Применение ШДПС СРНС ГЛОНАСС и GPS для ориентации ВС 248
4.5. Оценка действия мощных широкополосных и сосредоточенных по спектру радиоэлектронных помех на ретранслятор с комплексной нелинейностью спутниковых систем ШДПС СРНС, УВД и связи с МДЧР и МДВР 252
4.6. Методика оценки мощности дополнительных продуктов интермодуляционных при действии на нелинейный ретранслятор ШДПС СРНС ГЛОНАС, GPS и ССС мощных сосредоточенных по спектру радиоэлектронных помех 257
4.7. Оценка минимальной величины энергетического проигрыша каналов передачи данных ШДПС СРНС и ССС при воздействии на ретранслятор с комплексной нелинейностью мощных сосредоточенных по спектру радиоэлектронных помех... 260
4.8. Помехозащищенность, электромагнитная совместимость и оценка воздействия радиоэлектронных помех на каналы передачи навигационных данных и корректирующих поправок ШДПС СРНС ГЛОНАСС, GPS и Галилео 264
4.9. Обеспечение требуемых навигационных характеристик за счёт интегрирования и совместного использования систем СРНС ГЛОНАССЛлРЗ/Галилео. (Моделирование анализ и оценка точностных характеристик СРНС) 270
4.10. Основные результаты и выводы по 4 главе 276
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Основные результаты, полученные в диссертации .280
ЛИТЕРАТУРА, использованная в диссертации 285
ПРИЛОЖЕНИЯ
П.1. Повышение точности навигационного обеспечения ШДПС СРНС ГЛОНАСС и GPS, контроль целостности и комплексирование аппаратуры потребителя воздушного судна с другими навигационными системами.. 297
П.2. Повышение точности обеспечения требуемых навигационных характеристик воздушных судов путём интеграции объединённых спутниковых на-вигационно-телекоммуникационных комплексов ГЛОНАСС/СР8/Галилео.307
П.З. Оптимальные и субоптимальные реконфигурируемые алгоритмы комплексной обработки информации в объединённой интегрированной навигационной системе ШДПС СРНС ГЛОНАСС/GPS 320
П.4. А К Т Ы О ВНЕДРЕНИИ полученных результатов 329
Введение к работе
Спутниковые радионавигационные системы (СРНС) ГЛОНАСС (РФ), GPS (США) и Галилео являются наиболее надёжными, точными и перспективными средствами обеспечения навигации, посадки воздушных судов (ВС) и управления воздушным движением (УВД).
Используемые дифференциальные методы СРНС (ДвР8), реализуемых в виде широкозонных, региональных и локальных дифференциальных подсистем (ІТТДПС, РДПС и ЛДПС) СРНС, обеспечивают радиус действия соответственно до 6000,2000 и 200 км.
Для обеспечения большой рабочей зоны УВД для ТТТДПС СРНС и перераспределения связных ресурсов используются спутниковые системы связи (ССС) с многостанционным доступом с частотным, временным или кодовым разделением (МДЧР, МДВР или МДКР) сигналов. При УВД с автоматическим зависимым наблюдением (АЗН), эффективность повышается с использованием бесконфликтных пространственно-временных траекторий в рамках создания автоматизированных систем (АС) УВД.
Стремление обеспечить полеты ВС в выгодных режимах приводит к повышению плотности движения в воздушных коридорах на кратчайших маршрутах и экономичных эшелонах, что требует совершенствования систем навигации, посадки, УВД и требует улучшения их взаимодействия, является сложной и актуальной задачей.
Обеспечение коррекции траектории движения ВС путем введения навигационных поправок в горизонтальную и вертикальную составляющие скорости, а также поправок на начало разворотов ВС позволяет существенно увеличить точность определения координат ВС.
Внедрение и совершенствование ТТТДПС СРНС, ССС совместное использование объединённых навигационно-связных систем (ОНСС) и АС УВД с АЗН особенно актуально при увеличении плотности ВС в воздушных коридорах, при появлении различных дестабилизирующих факторов, включая преднамеренное воздействие радиоэлектронных помех (РЭП).
Улучшение точностных навигационных характеристик, а также повышения достоверности и оперативности передачи данных можно достичь путём: - совершенствования технологии извлечения навигационной информации при определении координат ВС, объединения и интегрирования информационных потоков, комплексирования СРНС систем УВД и ССС, с инерционными навигационными системами (ИНС), минимизации среднеквадра-тических ошибок (СКО) определения координат ВС, возникающих в из-за влияния комплексной нелинейности ретранслятора и воздействия РЭП; -совершенствования радиоэлектронной аппаратуры, оптимизации параметров каналов связи и снижения влияния комплексной нелинейности РТР. В ТТТДПС, РДПС и ЛДПС СРНС ГЛОНАСС, GPS и Галилео, объединённых системах навигации и связи (ОСНС), УВД с АЗН и автоматизированных системах (АС) УВД используются спутниковые технологии с ретрансляцией сигналов с применением цифровых радиотехнических систем передачи навигационных данных и корректирующих навигационных поправок.
Одной из ключевых позиций данных систем, является то, что для существенного увеличения дальности их функционирования (высокоточного навигационного обеспечения ВС, УВД и на максимально протяжённых трассах на всех этапах полёта, включая посадку), используются ретрансляторы (РТР), установленные на космических летательных аппаратах (КЛА).
Усилители мощности передатчиков ретрансляторов выполняются на лампах бегущей волны (ЛБВ) и клистронах, биполярных и полевых СВЧ транзисторных сборках. Данные устройства имеют существенную нелинейность амплитудной и значительную неравномерность фазоамплитуд-ной односигнальных передаточных характеристик (АХ и ФАХ), которые проявляются в нелинейных АМ/АМ и АМ/ФМ преобразованиях. АМ/ФМ преобразования называют так же амплитудно-фазовой конверсией (АФК). Совокупность нелинейных передаточных характеристик АХ и ФАХ образует единую комплексную нелинейность, а такие устройства называют устройствами с комплексной нелинейностью (УКН).
Данные явления искажают сигналы навигационного обеспечения (НО). При прохождении большого количества сигналов (многочастотной работе) через ретранслятор с комплексной нелинейностью юзникают различные нелинейные эффекты: снижение выходной полезной мощности РТР; подавление в РТР сильными сигналами слабых; появление на выходе РТР кратных и комбинационных продуктов; часть, из которых попадает в полосы частот полезных сигналов и образует продукты интермодуляционных искажений (ИМИ) 3-го порядкаИМИ-31, ИМИ-32 и продукты ИМИ 5-го порядка ИМИ-51 ,..,ИМИ-56.
Для количественной оценки влияния нелинейности РТР на показатели качества систем СРНС и ССС в многосигнальном режиме необходимо одновременно в совокупности учитывать совместное влияние двух нелинейных АМ/АМ и АМ/ФМ преобразований в РТР. Среди функциональных, электродинамических и др. методов наиболее перспективны квазистатические методы, учитывающие совместное влияние нелинейных АМ/АМ и АМ/ФМ преобразований в РТР. Они тесно взаимосвязаны между собой и в совокупности влияют на интенсивность продуктов ИМИ, описывают модуль и фазу комплексного коэфф. передачи.
В квазистатических методах, для исследований мощности полезных сигналов и продуктов ИМИ в многосигнальном режиме используются передаточные характеристики АХ и ФАХ, полученные в односигнальном режиме. Правомерность применения для ШДПС СРНС, ССС и АС УВД с АЗН од-носигнальной гипотезы, требует экспериментального подтверждения.
Исследованию спутниковых систем радионавигации, УВД и связи посвящены работы школ: B.C. Шебшаевича, М.СЯрлыкова, Г.А. Крыжановского, П.В.Олянюка, А.И.Козлова, В.Д.Рубцова; Л.В.Когновицкого, В.А.Борисова.
ЦЕЛИ РАБОТЫ
1. Разработка и совершенствование методов, средств и систем обеспечения требуемых навигационных характеристик ШДПС СРНС, посадки ВС и систем УВД с АЗН на основе спутниковых технологий за счёт минимизации погрешностей измерений и минимизации энергетических потерь, путём оптимизации каналов передачи навигационных данных, корректирующих поправок и информации о состоянии целостности системы за счёт снижения влияния комплексной нелинейности (АМ/АМ и АМ/ФМ преобразований) в спутниках ретрансляторах и в приёмниках аппаратуры потребления ВС и контрольно-корректирующих станций.
2. Повышение безопасности и надёжности полётов ВС, точности местоопре-деления и посадки ВС за счёт повышения эффективности функционирования ШДПС СРНС и УВД с АЗН и обеспечения требуемых навигационных характеристик целостности, непрерывности и достоверности навигационно-временного обеспечения. Разработка методов снижения влияния комплексной нелинейности РТР и АП ВС на показатели качества каналов передачи навигационных данных и корректирующей информации (поправок).
Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи:
1. Произвести анализ и разработку методов повышения эффективности навигационного обеспечения (НО) ВС и УВД на основе штатного навигационного оборудования, комплексируемого с СРНС, ССС и с ИНС. Дать оценку повышения эффективности НВО на основе ШДПС СРНС с учётом полноты орбитальной группировки космических аппаратов и уменьшения влияния мешающих факторов на всех этапах полета, включая полёты на малых высотах.
2. Разработать для исследования качества функционирования каналов передачи данных ШДПС СРНС и ССС, используемых для навигации ВС и УВД, методы анализа нелинейных приёмо-передающих устройств и систем. Произвести математическое и полунатурное моделирование систем с РТР, экспериментальную оценку точности расчетов каналов передачи данных, оценку правомерности и корректности использования квазистатического метода характеристических функций при исследовании влияния нелинейности РТР на СРНС. Разработать методы количественной оценки влияния нелинейности РТР на помехоустойчивость и пропускную способность ШДПС СРНС, систем УВД и ССС, а так же методы оценки ухудшения параметров систем при воздействии радиоэлектронных помех на нелинейный ретранслятор и АП ВС.
3. Разработать методы оптимизации параметров, обеспечивающие повышение эффективности СРНС и ССС по критерию обеспечения максимальной помехоустойчивости каналов передачи данных с учётом уменьшения влияния нелинейности ретранслятора, выбора режима работы ретранслятора, видов модуляции, кодирования, расстановки частот, ограничений на полосу частот и выходную мощность ретранслятора. Разработать способы уменьшения влияния нелинейности ретранслятора и действий радиоэлектронных помех на достоверность передачи навигационных данных и корректирующих поправок.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Анализ методов радионавигационного обеспечения навигационных определений воздушных судов дальномерный, псевдодальномерный, разностно-дальномерный, радиально-скоростной (доплеровский), псев-дорадиально-скоростной, разностно-радиально-скоростной, комбинированные методы. Метод наименьших квадратов, конечные и итерационные методы (метод последовательного приближения).
Исследованы дифференциальные методы с коррекцией координат аппаратуры потребителей воздушных судов, с относительными координатами, с использованием псевдоспутников, с разностной коррекции навигационных параметров.
Использованы методы системного анализа, математического моделирования с применением современных вычислительных методик на ЭВМ, полунатурного моделирования на экспериментальной СВЧ установке.
Разработанный и экспериментально подтверждённый квазистатический метод характеристических функций, основанный на бесселевой аппроксимации односигнальных передаточных амплитудных и фазоам-плитудных характеристик нелинейных устройств. Метод двойного преобразования Фурье. Нахождение коэффициентов бесселевой и полиномиальной аппроксимации методом Давидона-Флетчера-Пауэлла.
Методы интегро-дифференциальных уравнений, интегро-степенных рядов Винера - Вольтерра, комплексного коэффициента передачи параметрически зависящего от амплитуды входного сигнала, метод модулирующих функций. Квазистатические методы раздельно и совместно учитывающие влияние АМ/АМ, АМ/ФМ преобразований.
Теория передачи информации и теория нелинейных преобразований сигналов, теория передачи многопозиционных {2; 4; 8; 16; 32 и 64} частотно- и фазоманипулированных сигналов, теория помехоустойчивого кодирования.
Рассмотрены помехоустойчивые циклические коды Боуза-Чоудхури-Хоквингема (БЧХ) имеющие наилучшие характеристики декодирования в каналах с независимыми ошибками, рассмотрены лучшие из известных коротких свёрточных кодов, предназначенных для декодирования по алгоритму Витерби с гибким решением на выходе демодулятора, оптимальные по критерию максимального свободного расстояния.
ПОЛУЧЕНЫ СЛЕДУЮЩИЕ ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ;
1. Проведен системный анализ перспектив использования ШДПС СРНС для решения задач навигации воздушных судов на всех этапах полета, включая полеты на малых высотах и посадку, с учетом полноты орбитальной группировки космических аппаратов и влияния комплексной нелинейности спутника-ретранслятора.
При этом выполнены следующие исследования:
- проведен сравнительный анализ высокоточных разностно-дальномерных алгоритмов определения координат ВС при решении навигационных задач с использованием ШДПС СРНС, комплексированных с каналами передачи корректирующей информации УВД с АЗН, ОСНС и ССС;
- на основе разработанной математической модели спутниковых каналов передачи данных и поправок, многолучёвости распространения сигналов ШДПС СРНС при полетах ВС по трассе, на малых высотах и посадке, синтезирован квазиоптимальный алгоритм обработки навигационной информации и получены расчетные соотношения для определения погрешности оценки навигационного обеспечения ВС в ШДПС СРНС в условиях наличия комплексной нелинейности ретранслятора и воздействия мощных широкополосных радиоэлектронных помех;
- с использованием аппарата квазистатических методов произведен расчет энергетических параметров спутниковых цифровых каналов передачи данных и корректирующих поправок ШДПС СРНС систем УВД с АЗН; -на основе разработанных методов, учитывающих влияние нелинейности РТР путём математического и полунатурного моделирования дана оценка улучшения энергетических характеристик каналов передачи данных и точностных параметров ШДПС СРНС ГЛОНАСС, GPS и Галилео и ССС;
- выведены расчетные соотношения для определения необходимой периодичности корректировки навигационных характеристик и местоположения ВС при автоматическом режиме полета с использованием курсо-доплеро-вских навигационной системы с позиционным корректором в виде приёмопередатчика РТР сигналов СРНС, дана оценка качества навигационного обеспечения ВС с использованием СРНС при полетах по трассе и посадке.
2. Разработан сравнительно простой и достаточно точный экспериментально подтверждённый квазистатический метод характеристических функций, основанный на бесселевой аппроксимации передаточных односигнальных характеристик АХ и ФАХ нелинейных устройств.
В результате анализа известных методов определения мощности полезных сигналов и продуктов интермодуляционных искажений на выходе ретранслятора с существенно нелинейными характеристиками АХ и ФАХ по основным показателям качества сложности, точности, перспективности, универсальности и доступности. Установлено, что:
- квазистатические методы обладают перспективностью и в наибольшей степени подходят для исследования влияния комплексной нелинейности РТР на показатели качества функционирования ШДПС СРНС и ССС;
- метод универсален и применим для исследований различных по принципу работы приёмопередающих устройств с существенной нелинейностью односигнальных передаточных характеристик ретранслятора АХ и ФАХ;
- метод апробирован для исследований различных ретрансляторов ШДПС СРНС и ССС на ЛБВ, клистронах, биполярных и полевых СВЧ транзисторах.
3. Экспериментально подтверждена правомерность применения квазистатических методов, использующих односигнальные передаточные характеристики АХ и ФАХ нелинейных СВЧ устройств, для определения мощности полезных сигналов и продуктов интермодуляционных искажений на выходе ретранслятора в многосигнальном режиме. Произведено экспериментальное подтверждение правомерности использования и дана оценка точности квазистатических методов расчета в многосигнальном режиме мощности полезных сигналов и продуктов интермодуляционных искажений на выходе устройств с существенной нелинейностью и значительной амплитудно-фазовой конверсией по его передаточным характеристикам АХ и ФАХ, полученным в односигнальном режиме.
4. Разработана методика и дана количественная оценка влияния комплексной нелинейности ретранслятора на величину энергетического проигрыша каналов передачи навигационных данных и корректирующих поправок ТТТДПС СРНС и ССС, а так же автоматизированных систем УВД с АЗН. Определено, что нижняя граница энергетического проигрыша pmin систем ТТТДПС СРНС для разных типов сигналов, кодов и используемых типов ретрансляторов имеет значение не 6-8 дБ, как это указывается в справочниках по спутниковой связи, а составляет величину при равномерной расстановке частот pmi„=2,2...2,5 дБ, а при квазиоптимальной неравномерно-групповой расстановке частот pmj„=l,4...1,6 дБ. Установлено, что чем больше у выбранных сигналов отношение удельных затрат полосы к удельным затратам энергии, тем меньше величина энергетического проигрыша канала передачи данных ТТТДПС СРНС. 5. Предложены методы оптимизации параметров спутниковых каналов передачи данных коррекции координат воздушных судов ТТТДПС СРНС, ССС и объединённых систем навигации и связи по критерию обеспечения максимальной пропускной способности (или помехоустойчивости) ретранслятора. Учитывается одновременно взаимное влияние между собой целого ряда параметров: комплексной нелинейности ретранслятора АМ/АМ, АМ/ФМ преобразований, рабочей точки и режима работы усилителя мощности передатчика ретранслятора, используемого вида сигнала, модуляции и кодирования, энергетики канала связи, неравномерной расстановки частот, ограничениях на выходную мощность ретранслятора, полосу частот и нестабильности частот сигналов. Предложены квазиоптимальные неравномерно-групповые расстановки частот в спутниковых каналах передачи навигационных данных и поправок, обеспечивающих оптимальное использование энергетических и частотных ресурсов ТТТДПС СРНС и ССС.
Разработана методика повышения эффективности функционирования спутниковых систем ШДПС СРНС ГЛОНАСС, Галилео при различных видах модуляции и кодирования сигнала за счёт уменьшения влияния комплексной нелинейности ретранслятора на достоверность передачи навигационных данных и корректирующих поправок.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ состоит в том, что полученные в ней результаты позволяют существенно повысить:
1. Безопасность и надёжность полетов Воздушного судна за счёт увеличения достоверности точность местоопределения ВС целостности и непрерывности навигационного обеспечения ШДПС СРНС, позволяющих увеличить вероятность нахождения ВС в границах воздушного коридора;
Точность обеспечения навигационные характеристики ВС по стандартным траекториям на всех этапах полета по маршруту включая посадку, за счёт снижения влиянием нелинейности ретранслятора, внедрения автоматизированной системы УВД с АЗН и комплексирования СРНС с др. НС; Точностные характеристики, НО путем передачи корректирующих поправок по каналам с минимальным влиянием нелинейности ретранслятора;
2. Достоверность передачи корректирующих навигационных поправок и данных по спутниковым каналам связи ШДПС СРНС, УВД за счет уменьшения энергетических потерь и влияния комплексной нелинейности ретранслятора (АМ/ФМ преобразований и продуктов ИМИ):
- путем использования оптимальных и квазиоптимальных неравномерно- групповых расстановок частот, уменьшающих попадание продуктов ИМИ;
- оптимального режима работы РТР по среднему значению входной мощности РТР, обеспечивающего минимальную величину энергетического проигрыша;
- оптимальных сигналов с использованием помехоустойчивых сверточных кодов позволяющих полностью использовать энергетические и частотные ресурсы.
3. Точность навигационных характеристик и параметров ШДПС СРНС, посадки ВС и АС УВД с АЗН путём оптимизации каналов передачи данных и корректирующих навигационных поправок о состоянии целостности системы, за счёт обеспечения:
- снижения влияния нелинейности РТР AM/AM и АМ/ФМ преобразований;
- минимизации ошибок при передаче данных и погрешностей навигационных измерений возникающих в ретрансляторе и в приёмнике на борту ВС из-за несовершенства и из-за воздействия радиоэлектронной аппаратуры;
4. Точность расчётов навигационных поправок с помощью квазистатического метода и проблемно-ориентированных программ, оценки влияния нелинейности РТР на показатели качества СРНС ГЛОНАСС, GPS, Галилео и автоматизированных систем УВД с автоматически зависимым наблюдением: надёжности, безопасности, достоверности, целостности, непрерывности системы.
- использование разработанного метода и ППП позволяет создавать высокоэффективные системы СРНС и ССС, производить оптимизацию каналов связи по критерию обеспечения максимальной помехоустойчивости и пропускной способности канала передачи данных и навигационных поправок.
5. Практическое значение имеет также методика создания СВЧ установки, предназначенной для экспериментальных исследования полунатурной модели ШДПС СРНС ССС с МДЧР и с МДВР, а также исследование нелинейных приёмо-передающих СВЧ устройств с существенной нелинейностью и значительной амплитудно-фазовой конверсией в многочастотном режиме. Разработаны методы и представлены экспериментально результаты:
- проведены расчётные и экспериментальные исследования более 30 типов СВЧ усилителей мощности, передатчиков РТР СРНС и ССС, выполненных на ЛБВ, клистронах и СВЧ транзисторах (PBbDr 0...80 Вт; fc=0,4...4,0 ГГц). -совместного измерения нелинейных характеристик АХ и ФАХ РТР при значениях входной мощности более чем на 13 дБ превышающих режим насыщения; -измерения мощности и количества продуктов ИМИ 3-го и 5-го порядка при 2-8 сигналах попадающих в полосу частот одного полезного сигнала.
6. В результате оптимизации параметров каналов передачи данных и корректирующих поправок, по которым передаются на ВС, через нелинейный ретранслятор систем ШДПС СРНС и ССС установлено, что: - уменьшается количество продуктов интермодуляционных искажений в полосе частот полезных сигналов за счёт оптимальное или квазиоптимальной неравномерно-групповой расстановки частот ЗС; -минимизации энергетических потерь pmin=l,3...1,5 дБ (возникающих из-за наличия нелинейности РТР), за счёт выбора оптимальной рабочей точки усилителя мощности передатчика РТР, вида доступа сигналов к РТР, типа модуляции и кодирования сигналов можно увеличить энергетику и помехоустойчивость канала (отношения Рс/Рш на 6...8 дБ), или при той же самой помехоустойчивости увеличить на 40-60 % пропускную способность каналов связи, что и обеспечивает существенное (более чем на порядок) увеличение требуемых точностных характеристик, определения координат ВС порядка 0,2...0,3 м. При малой энергетике канала связи целесообразно использование помехоустойчивых сверточных коды.
Если же используются сигналы с большим требуемым отношением удельных затрат РЕ/РГ (ФМ-4, ФМ-8, ФМ-16), то целесообразно сочетать эти виды сигналов с неравномерно-групповой расстановкой частот.
7. Структурные схемы ретрансляторов, обеспечивающие увеличение помехоустойчивости систем на 6 дБ, за счёт оптимального режима работы и загрузки ретранслятора, неравномерно-групповой расстановки частот ЗС, адаптивных компенсаторов нелинейностей АМ/АМ, АМ/ФМ преобразований, коррекции передаточных характеристик ретранслятора ШДПС СРНС и ССС.
ДОСТОВЕРНОСТЬ И ОБОСНОВАННОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ОБЕСПЕЧИВАЕТСЯ; соответствием основных теоретических результатов экспериментальным;
- корректным применением современного математического аппарата;
- совпадением полученных результатов с ранее известными результатами;
- точностью расчетов квазистатического метода порядка 0,1...0,2 дБ;
- актами о внедрении научных и практических результатов работы.
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:
1. Методы навигационных определений и алгоритмов обработки навигационной информации в СРНС, позволяющие ослабить влияние комплексной нелинейности РТР ШДПС СРНС на точность местоопреде- ления ВС при решении НЗ. Технические предложения по комплекси- рованию СРНС с другими навигационными средствами и средствами радиосвязи и ИНС, обеспечивающему реализацию перспективных для решения НЗ, в том числе и категорированной посадки ВС методов НО.
2. Разработанный и экспериментально подтвержденный квазистатический метод характеристических функций определения мощности полезных сигналов и продуктов интермодуляционных искажений на выходе различного класса СВЧ устройств с существенной нелинейностью и значительной амплитудно-фазовой конверсией. Экспериментально подтверждена корректность и правомерность использования квазистатического метода характеристических функций. Методика и результаты экспериментального измерения характеристик АХ и ФАХ и ИМИ.
3. Методы и результаты оценки и уменьшения влияния комплексной нелинейности РТР на величину энергетического проигрыша канала передачи корректирующих поправок ШДПС СРНС ССС с МДЧР, с учетом выбора оптимального сигнала и режима работы РТР. Произведена оценка энергетического проигрыша из-за влияния нелинейности ретранслятора и воздействия радиоэлектронных помех на ретранслятор ШДПС СРНС и ССС.
Подтверждено, что чем больше у сигналов отношение удельных затрат полосы к энергии VPE, тем меньше энергетический проигрыш реальной системы по сравнению с идеализированной.
Установлено, что благодаря оптимизации системы энергетический проигрыш из-за нелинейности ретранслятора может составлять величину не 6...8 дБ, а получить минимально достижимая величину энергетического проигрыша порядка 1,5 дБ. При этом энергетический выигрыш в увеличении помехоустойчивости канала оптимизированной системы может составлять величину порядка 4,5...6,5 дБ.
4. Методы и результаты оптимизации параметров ШДПС СРНС по критерию повышения помехоустойчивости и обеспечения максимальной пропускной способности с учетом влияния нелинейности РТР, вида сигнала, кодирования, энергетики канала связи, расстановки частот.
5. Методы ослабления влияния нелинейности ретранслятора на достоверность передачи данных и корректирующих навигационных поправок.
Методы минимизации энергетического проигрыша по критерию обеспечения повышения точностных навигационных характеристик СРНС, при энергетических и частотных ограниченных канала связи.
ВНЕДРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ И РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ
Результаты диссертационной работы внедрены на Государственных предприятиях, опубликованы в 15 отчётах НИР и подтверждены 6 актами о внедрении:
- Ленинградский НИИ "Радиоприборы. НЭТИ. 1978 г. Тема "Шпилька"; -Московский НИИИРадиосвязи (МНИИИPC) 1981 г., Гос. per. № 158/81;
- Росс.НИИ Космического приборостроения(РНИИКП),1983, Гос.рег. №161/83;
- Ракетно-космическая корпорация (РКК) "Энергия", 1989 г. Королёв;
- в/ч93901 М.О., 1996.Тема Годограф; 1993-2005 ЦНИИ Радиосвязь, г.Королёв;
- 16 ЦИНИИ Минобороны, 1998. Тема"Кулон"; ФГУП "Комета".
АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ Разработанные методы, технологии и расчётно-аналитические результаты иссле-дованний апробированы при оценке эффективности обеспечения навигационных характеристик различных ТТІДПС СРНС, ССС и АС УВД с АЗН.
Основные положения и результаты были доложены автором в период с 1974 по 2005 г. на Межд. НТК, семинарах, отражены в 11 тезисах докладов: -5-ая Межд. НТК, НТО РЭС А.С.Попова, 12-14.03.03. Цифровые РТСПИ;
- Межд. НТК, МГТУ ГА, 17-18 апр. 2003. Гражданская авиация на современном этапе развития науки и техники. Сек. 6. Перспективы ТЭ РЭА;
- Всесоюзная НТК, ОЭИС, 23-27 сентября. 1986г. Одесса. Цифровые ССС;
- между. НТК, МГТУ МАМИ, 21-23окт. 2002. Сочи. Оптимизация РЭА.
Материалы докладывались и обсуждались на НТС в организациях
1. Академии Гражданской Авиации, Вычислительном центре РАН, Академии РВСН, Академии оборонных отраслей промышленности;
2. Предприятиях военно-промышленного комплекса (ВПК): Ракетно- космической корпорации "Энергия" им. С,П. Королёва, Российском НИИ Космического приборостроения, Московском НИИ "Радиосвязь", 16 Центральном испытательном НИИ, Моск. КБ "Компас", НИИ "Часпром", ГУЛ "Мосгортранс", ЦНИИ "Радиосвязь" (Королёв), ОКБ МЭИ; РИРВ, "Полёт",
3. ВУЗы: МГТУ ГА, Академии ГА, МИРЭА, МВТУ, МТУСИ, НЭТИ, НЭИС.
АКТЫ О ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ
Теоретические и экспериментальные результаты, методы и программы диссертационной работы использованы и внедрены в НИОКР, производственных и учебных работах и подтверждены 9 актами о внедрении: ГП Ракетно-космическая корпорация (РКК) "Энергия", ФГУП Центральный НИИ "Комета", ОАО Московское конструкторское бюро (МКБ) "Компас", Центральный НИИ "Радиосвязь", ГОУ МАРТИТ, МГТУ Гражданской авиации, НОРИС, НИИ Часпром, Гипросвязь.
ПУБЛИКАЦИИ Основные результаты диссертации опубликованы в 67 работах, в том числе 55 статей, из которых 40 статей рекомендованных по списку ВАК в том числе 15 статей в центральных изданиях ВАК, 11 тезисов докладов Межд. НТК, получено 1 авторское свидетельство на изобретение. Кроме этого 23 статьи депонировано в ВИНИТИ РАН РФ и опубликовано 15 отчётов НИР с Гос. per.
СТРУКТУРА И ОБЪЁМ РАБОТЫ Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка используемой литературы из 205 наименований и 4 приложений. Основная часть диссертации содержит 296 стр. текста, 70 рис., 50 табл. и 6 актов о внедрении результатов.
