Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Повышение точности и надежности навигационных определений в ап срнс с использованием обратной связи по решению навигационной задачи 9
1.1 Требования потребителей к СРНС 9
1.2 Анализ зависимости минимального числа спутников необходимого для решения навигационной задачи от количества СРНС и режима работы АП СРНС 12
1.3 Оценка влияния режима работы АП СРНС, числа спутников в рабочем созвездии и их взаимного расположения на точностные характеристики АП СРНС 20
1.4 Разработка алгоритма работы АП СРНС с использованием обратной связи по решению навигационной задачи 30
1.5 Основные результаты и выводы 41
ГЛАВА 2. Исследование совместного применения АП СРНС и ИНС С использованием обратной связи по решению навигационной задачи 43
2.1 Анализ схем совместного применения АП СРНС и ИНС 43
2.2 Моделирование алгоритмов совместного применения АП СРНС и ИНС с использованием обратной связи по решению навигационной задачи 49
2.3 Основные результаты и выводы 68
ГЛАВА 3. Исследование возможности использования ифрнс в качестве резервной навигационной системы 69
3.1 Сравнительный анализ алгоритмов определения местоположения ВС по
сигналам радионавигационных систем с наземным базированием опорных
станций 69
3.2 Исследование возможности применения коррекции навигационных параметров в ПИ ИФРНС по данным от АП СРНС 85
3.3 Основные результаты и выводы 102
Заключение 104
Список литературы 108
- Анализ зависимости минимального числа спутников необходимого для решения навигационной задачи от количества СРНС и режима работы АП СРНС
- Разработка алгоритма работы АП СРНС с использованием обратной связи по решению навигационной задачи
- Моделирование алгоритмов совместного применения АП СРНС и ИНС с использованием обратной связи по решению навигационной задачи
- Исследование возможности применения коррекции навигационных параметров в ПИ ИФРНС по данным от АП СРНС
Анализ зависимости минимального числа спутников необходимого для решения навигационной задачи от количества СРНС и режима работы АП СРНС
Для учета временного различия между СРНС ГЛОНАСС и GPS можно воспользоваться параметрами AT и TOPS, которые передаются в составе навигационной информации НС GPS и модифицированного НС ГЛОНАСС-М соответственно. Параметр AT [7] является поправкой на расхождение системных шкал времени GPS и ГЛОНАСС, а параметр TGPS [6] - его дробной частью. Сама коррекция производится в соответствии с формулой TGPSГЛ=AT + TGPS, (1.10) где ТГл - это системное время ГЛОНАСС, c; TGPS - системное время GPS, c. При отсутствии AT и TGPS расхождение системных шкал времени СРНС ГЛОНАСС и GPS определяется при решении НЗ. В этом случае в матрицу Н добавляется пятый столбец - невязка по времени между двумя СРНС, то есть теперь решается система уравнений с пятью неизвестными и для ее решения, соответственно, необходимо наличие сигналов как минимум от пяти НС.
При наличии у потребителя АП СРНС высокостабильного опорного генератора можно оценить параметр j один раз и далее, приняв это значение за постоянное, работать в дальномерном режиме. Тем самым можно уменьшить минимальное число НС необходимое для решения НЗ до трех.
Применение дальномерного режима накладывает определенные требования к точности формирования шкалы времени АП СРНС. Ее относительная нестабильность должна составлять порядка 10-10. В настоящее время большинство эксплуатируемой АП СРНС не обладает генераторами стабильной частоты (ГСЧ) с таким значением относительной нестабильности. Это требование ограничивает широкое применение дальномерного режима в существующей АП СРНС и требует ее модификации. Появившиеся в последнее время недорогие атомные стандарты частоты [9] позволят реализовать в АП СРНС работу в дальномерном режиме без больших материальных затрат.
Рассмотрим еще один способ организации определения навигационных параметров в АП СРНС при работе с неполным созвездием НС. Он заключается в комплексировании АП СРНС с автономными средствами навигации. В случае наличия данных о текущем значении высоты появляется возможность работы с созвездием, состоящим из трех НС в случае приема сигналов от одной СРНС и четырех при работе по двум СРНС.
В этом случае алгоритм решения НЗ будет выглядеть следующим образом: в псевдодальномерном методе при определении местоположения ВС при наличии данных о высоте h ВС можно вместо измерений четырех ПД ограничиться измерением трех ПД. В этом случае имеем три уравнения вида (1.3), а четвертое уравнение получаем от измерителя высоты [10, 11] где В - широта местоположения ВС, полученная после решения НЗ, рад; а - большая полуось земного сфероида, м; е - эксцентриситет земного сфероида. В случае если В неизвестно, вместо N используется радиус Земли. Таким образом, получается система из четырех уравнений с четырьмя неизвестными при наличии сигналов от трех НС. Далее на основе этой системы определяется местоположение ВС.
При работе с неполным рабочем созвездием НС текущее значение высоты может быть получено от автономных средств навигации: ИНС или высотомера. При этом значение высоты от ИНС можно непосредственно использовать в выражении (1.11). При комплексировании с высотомером полученное значение высоты над геоидом должно быть преобразовано в значение высоты над эллипсоидом. Для этого необходимо наличие данных о текущем рельефе местности.
Тактико-технические характеристики типовых высотомеров, используемых сейчас в авиации, приведены в таблице 1.3.
Из данной таблицы видно, что при работе на высотах меньше 750 м использование высотомера в качестве функционального дополнения к АП СРНС, при условии наличия данных о текущем рельефе местности, не приведет к уменьшению точности определения местоположения ВС по сигналам СРНС.
Кроме этого укажем, что в случае объединения дальномерного режима и комплексирования с автономными средствами навигации появляется возможность определять местоположение ВС при работе с созвездием, состоящим всего из двух НС. Это особенно актуально при полете ВС в гористой местности, где затруднен прием сигналов большего числа НС или из-за затенения приемной антенны АП СРНС при высокой динамике полета ВС
Разработка алгоритма работы АП СРНС с использованием обратной связи по решению навигационной задачи
Основные результаты, полученные в главе 1, состоят в следующем:
1. Предложен и исследован алгоритм расчета координат и составляющих вектора скорости ВС, при котором сигналы управления в контурах слежения за параметрами сигналов НС связаны друг с другом через решение НЗ.
2. Разработан программный комплекс, позволяющий оценивать точность навигационных определений по сигналам СРНС с использованием алгоритма слежения за параметрами сигналов НС по результатам решения НЗ.
3. Произведена оценка зависимости точности навигационных определений в АП СРНС от числа НС в рабочем созвездии, их взаимного расположения и числа оцениваемых параметров как методами математического моделирования, так и с использованием орбитальных параметров существующих группировок НС СРНС ГЛОНАСС/GPS.
На основании результатов, полученных в главе 1, можно сделать следующие выводы:
1. В случае применения алгоритма слежения за параметрами сигналов НС по результатам решения НЗ, вероятность потери сигналов от НС по одному или нескольким каналам при затенении приемной антенны или при высокой маневренности ВС, нарушающих работоспособность АП СРНС, заметно снижается. Тем самым, применение этого алгоритма повышает помехоустойчивость АП СРНС, как это следует из результатов моделирования, на 5…7 дБ.
2. Применение алгоритма слежения за параметрами сигналов НС по результатам решения НЗ не требует изменения аппаратных средств в АП СРНС и, как результат, не влечет за собой увеличения ее массы, габаритов и потребляемой мощности.
3. Дальномерный режим работы АП СРНС позволяет получить выигрыш в точности определения координат ВС, в частности погрешность определения высоты уменьшается приблизительно в 1.5 раза, что позволяет при комплексировании с автономными средствами навигации осуществлять решение задач навигации и категорированной посадки ВС. Однако применение данного режима требует высокой стабильности шкалы времени АП СРНС порядка 10-10.
В данной главе диссертационной работы исследуются вопросы, касающиеся особенностей совместного применения АП СРНС и ИНС при использовании разработанного в главе 1 алгоритма, связывающего слежение за параметрами сигналов НС через решение НЗ.
В настоящее время вопросам совместного использования данных от различных систем навигации уделяется большое внимание разработчиков и авторов специализированной литературы, о чем свидетельствует большое число выходящих научных работ и статей на эту тему, в частности этим вопросам просвещены работы [21-26]. В них приводятся различные схемы комплексирования, результаты моделирования этих схем, методы их практической реализации [24, 25] и их испытаний с применением реально существующего оборудования [26]. Вместе с тем, в литературе не освещены вопросы, касающиеся особенностей совместного использования АП СРНС с ИНС с применением рассматриваемого в диссертации алгоритма управления устройствами слежения за параметрами сигналов НС с использованием результатов решения НЗ, на чем мы остановимся ниже.
Достоинства СРНС, как известно, заключаются в малом времени готовности и высокой точности определения местоположения подвижного объекта, в частности ВС. При этом отсутствует накопление ошибок. Основными недостатками СРНС являются: - низкий уровень принимаемого сигнала и, как следствие, подверженность преднамеренным и непреднамеренным помехам; - возможная недостоверность сигналов из-за нарушений в работе НС (проблема целостности навигационных определений); - пропадание сигналов НС, в частности, при возникновении затенений приемной антенны АП СРНС (горными образованиями, местными предметами или элементами конструкциями ВС); - относительно низкая частота выработки НП.
Последние два недостатка наиболее отчетливо проявляют себя при установке АП СРНС на борту высокодинамичных объектов.
Для ИНС характерны автономность, независимость от наличия внешних сигналов, помехозащищенность и высокая скорость выдачи НП. Вместе с тем, ИНС присуще накопление ошибок со временем, зависимость точности от аномалий гравитационного поля Земли и большое время готовности, что связано с необходимостью решения задач начальной выставки системы и калибровки ее чувствительных элементов (ЧЭ).
Очевидно, что объединение ИНС и АП СРНС позволит, в полной мере сохранив достоинства каждой из систем, существенно снизить влияние их недостатков. В частности, при наличии сигналов от НС можно осуществлять коррекцию ИНС, что позволяет в периоды отсутствия сигналов НС повысить точность определения местоположения ВС, с использованием ИНС. В свою очередь данные от ИНС позволят уменьшить время поиска сигналов НС и улучшить слежение за ними.
Проанализируем существующие схемы совместной обработки АП СРНС и ИНС, а также возможность их практической реализации с использованием существующей АП СРНС.
Существует несколько подходов к построению алгоритмов совместной обработки информации в интегрированных системах. В зависимости от того, каким образом распределяются данные, полученные от ИНС и АП СРНС, и на каком уровне реализуется обработка, различают слабосвязанную и сильносвязанную схемы [22, 23].
Моделирование алгоритмов совместного применения АП СРНС и ИНС с использованием обратной связи по решению навигационной задачи
На сегодняшний день, рассмотренный выше алгоритм, основанный на МНК, является основным для решения НЗ на поверхности для РНС с наземным базированием опорных станций. К основным достоинствам МНК стоит отнести простоту реализации и относительно небольшое количество операций. Недостатком метода является неравномерная сходимость алгоритма в рабочей области, то есть повышенные ошибки в некоторых местах области.
Проведем оценку сходимости данного алгоритма. Для этого рассмотрим одну из цепочек ИФРНС – Европейскую цепочка (РСДН-3/10, GRI 8000). На рисунке 3.1 сплошной линией изображена рабочая зона Европейской цепи. Данные о рабочей области были предоставлены ОАО «НТЦ» Интернавигация». Для исследования алгоритмов решения НЗ была выбрана область, которая отмечена пунктирной линией. Размеры области ограничены от 40 до 66 северной широты и от 14 до 58 восточной долготы.
Разобьем данную область на точки с шагом 1 (рисунок 3.1) и для каждой точки решим обратную и прямую НЗ. Далее сравним исходные и вычисленные координаты.
Пусть требуемая точность 1 м по широте и по долготе. Примем, что максимальное число итераций – 20 (в настоящее время в серийно выпускаемой аппаратуре приема и обработки сигналов ИФРНС максимальное число итераций ограничено 20). Если при максимальном числе итераций, заданная точность не достигнута, то считаем, что алгоритм не имеет сходимости и в заданной точке имеет место повышенная ошибка.
На рисунке 3.2 приведен результат моделирования. Жирным цветом отмечены точки, в которых не была достигнута заданная точность. На рисунке 3.3 приведено число итераций, необходимое для достижения заданной точности для точек, в которых она не была достигнута за 20 итераций.
Результат решения навигационной задачи по методу наименьших квадратов: точки с повышенной погрешностью определения широты и долготы Анализ графиков показал, что для сходимости во всей рабочей области необходимо порядка 40 итераций. Теперь рассмотрим неитерационный алгоритм решения НЗ для РНС с наземным базированием опорных станций и проведем его сравнительный анализ с итерационным алгоритмом, реализуемым в современных ПИ ИФРНС. Этот алгоритм был впервые описан в [38].
До настоящего времени применение неитерационного алгоритма решения НЗ было не эффективно в связи с тем, что он требует больших вычислительных затрат, так как в нем присутствует большее число операций по умножению и обращению матриц чем в итерационном алгоритме. Однако теперь с появлением более мощных сигнальных процессоров появилась возможность реализовать этот алгоритм в новых ПИ ИФРНС.
Ниже опишем основную идею, на основе которой реализуется неитерационный алгоритм решения НЗ на плоскости. В качестве исходных данных выступают вектор измеренных времен прихода сигналов от наземных станций TD и вектор координат этих станций BLbi. Число этих параметров равно числу принимаемых сигналов. Каждый элемент, составляющий вектор TD (обозначим его td}), можно записать как td}=t}+tY+т0, (3.10) где tj - истинное время распространения сигнала от у-ой станции до ВС вдоль земной поверхности, с; ff - дополнительная составляющая, возникающая при распространении вдоль земной поверхности, с; Т0 - временной сдвиг между шкалой времени приемника ИФРНС и временной шкалой опорной станции ИФРНС, с. Так как все станции синхронизированы от одного общего стандарта частоты, то будем считать, что значение Т0 является общим для всех td!.
Истинное время распространения сигнала от у-ой станции до подвижного объекта tf,. равно После первого неточного решения НЗ на сфере, вычисляется dsu], и ее значение может быть использовано при следующем решении НЗ. При этом для коррекции используется формула (3.14). Для определения дуги Sj решается так называемая обратная геодезическая задача (ОГЗ) - по известным координатам двух точек находится расстояние между ними. Если (ил,1л)приведенная широта и долгота станции, а (и0,/0) приведенная широта и долгота объекта, то согласно [42] дуга s.может быть вычислена
Исследование возможности применения коррекции навигационных параметров в ПИ ИФРНС по данным от АП СРНС
Из результатов оценки экспериментальных полетов видно, что дополнительный набег фазы сигналов от опорных станций ИФРНС (рисунок 3.20) обладает высокой пространственной изменчивостью, т.е. меняет свое значение при изменении местоположения ВС. Это связано с изменением проводимости подстилающей поверхности на трассе распространения сигнала от станции до ВС. Таким образом, эффективное использование коррекции навигационных параметров в ПИ ИФРНС по данным от АП СРНС на подвижном объекте возможно при вводе поправок с периодичностью порядка нескольких минут.
Точность на уровне +50 м при отказе АП СРНС обеспечивается на расстояниях до 50 км от места последней коррекции ПИ ИФРНС.
Из результатов экспериментов видно, что модель (3.39) вычисления навигационных поправок в ПИ ИФРНС по данным от АП СРНС достаточно эффективна и может быть рекомендована к использованию в совмещенной аппаратуре СРНС/ИФРНС.
Результаты экспериментов доказывают целесообразность использования скорректированных по данным от АП СРНС навигационных параметров от ПИ ИФРНС при отказе АП СРНС при выполнении задач, требующих малого времени работы. Например, для захода на посадку при кратковременных потерях навигации в АП СРНС при затенении приемной антенны элементами конструкции ВС или местными предметами при эволюциях ВС.
Время, в течение которого эта поправка будет действительна, зависит от изменения подстилающей поверхности и скорости движения ВС.
Основные результаты, полученные в главе 3, состоят в следующем: 1. Проведен анализ возможности использования ПИ ИФРНС в качестве резервного навигационного средства. 2. Предложен неитерационный алгоритм определения местоположения ВС при работе по сигналам ИФРНС, позволяющий осуществлять навигационные определения при работе на границе рабочей зоны, когда итерационный алгоритм не работоспособен из-за неблагоприятного расположения опорных станций. 3. На основе анализа экспериментальных данных, полученных от ПИ ИФРНС, установленного на неподвижном и подвижном объектах, исследована пространственно-временная изменчивость ошибки, связанной с дополнительным набегом фазы сигналов ИФРНС. На основании результатов, полученных в главе 3, можно сделать следующие выводы: 1. Преимуществами применения неитерационного алгоритма при определении местоположения ВС с использованием ИФРНС по сравнению с итерационным алгоритмом являются: - меньшее время расчета из-за отсутствия итераций; - отсутствие обязательного ввода приближенных начальных данных для начала итерационного процесса; - отсутствие проблемы сходимости алгоритма даже при плохом взаимном расположении ВС и опорных станций, например при работе на границе рабочей зоны. 2. Как видно из анализа экспериментальных данных, при совместном использовании АП СРНС и ПИ ИФРНС существует возможность коррекции систематической ошибки в ПИ ИФРНС за счет использования данных измерений, полученных от АП СРНС. При этом в случае пропадания сигналов от АП СРНС навигационные определения могут вестись по скорректированным данным от ПИ ИФРНС. При установке ПИ ИФРНС на неподвижном объекте дополнительный набег фазы сигналов ИФРНС обладает высокой временной устойчивостью. При этом, произведя один раз корректировку измерений в ПИ ИФРНС по данным от АП СРНС можно на достаточно продолжительном интервале времени порядка 1-го часа получить высокие точности определения местоположения по данным от ПИ ИФРНС, порядка 30 м.
При установке ПИ ИФРНС на подвижном объекте дополнительный набег фазы сигналов ИФРНС обладает пространственной изменчивостью, и эффективное использование коррекции навигационных параметров в ПИ ИФРНС по данным от АП СРНС возможно лишь при вводе поправок с периодичностью порядка нескольких минут. Результаты анализа полетных данных показали, что при вводе поправки с периодичностью раз в одну минуту величина ошибки составляет не более 50 м.
Величина времени, в течение которого данная поправка будет действительна при пропадании сигнала от СРНС, зависит от скорости движения ВС и от изменения характеристик подстилающей поверхности.
. В случае применения алгоритма слежения за параметрами сигналов НС по результатам решения НЗ, вероятность потери сигналов от НС по одному или нескольким каналам при затенении приемной антенны или при высокой маневренности ВС, нарушающих работоспособность АП СРНС, заметно снижается. Тем самым, применение этого алгоритма повышает помехоустойчивость АП СРНС, как это следует из результатов моделирования, на 5…7 дБ.
Применение алгоритма слежения за параметрами сигналов НС по результатам решения НЗ не требует изменения аппаратных средств в АП СРНС и, как результат, не влечет за собой увеличения ее массы, габаритов и потребляемой мощности.
Дальномерный режим работы АП СРНС позволяет получить выигрыш в точности определения координат ВС, в частности погрешность определения высоты уменьшается приблизительно в 1.5 раза, что позволяет при комплексировании с автономными средствами навигации осуществлять решение задач навигации и категорированной посадки ВС. Однако применение данного режима требует высокой стабильности шкалы времени АП СРНС порядка 10-10
