Методы и средства навигационного обеспечения воздушных судов и управления воздушным движением на основе спутниковых технологий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.13, доктор технических наук Слепченко, Петр Михайлович

• Слепченко, Петр Михайлович
• доктор технических наук
• 2004

Оглавление диссертации доктор технических наук Слепченко, Петр Михайлович

Введение.

1. Методы навигационных определений в спутниковых радионавигационных системах при решении задач навигации и посадки воздушных судов и пути их совершенствования.

1.1. Сравнительный анализ методов навигационных определений пространственных координат ВС и пути их совершенствования.

1.1.1. Глобальные и дифференциальные навигационные определения пространственных координат ВС.

1.1.2. Относительные навигационные определения пространственных координат ВС.

1.1.3. Навигационные определения пространственных координат ВС по фазе несущей.

1.1.4. Совершенствование относительных навигационных определений пространственных координат ВС на основе разностно-дальномерного способа измерений.

1.2. Анализ возможности угломерных навигационных определений координат ВС для решения задачи категорированной посадки.

1.3. Минимизация бортового навигационного оборудования путем комплексного измерения вектора положения ВС.

1.3.1. Комплексные измерения вектора положения ВС с дискретным каналом связи.

1.3.2. Комплексные измерения вектора положения ВС с ретранслятором радионавигационного поля СРНС.

1.4. Оценка точности навигационных определений координат ВС и способы ее повышения.

1.4.1. Обобщенная модель трассы распространения сигналов СРНС при различных методах навигационных определений координат ВС.

1.4.2. Оценка точности глобальных, дифференциальных и относительных навигационных определений координат ВС.

1.4.3. Способы повышения точности навигационных определений координат ВС.

1.4.4. Оценка применимости относительных навигационных определений координат для решения задачи категорированной посадки ВС.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы и средства навигационного обеспечения воздушных судов и управления воздушным движением на основе спутниковых технологий»

Актуальность работы. Исследования, проведенные международной организацией гражданской авиации (ИКАО), показали, что 70% авиационных катастроф происходит на этапах взлета и посадки воздушного судна (ВС). Остальные 30% катастроф происходит на этапе полета по маршруту, причем примерно 25% из них связано со столкновениями ВС в воздухе [1]. Основным способом предотвращения столкновения ВС в воздухе является строгое соблюдение экипажами и диспетчерами службы движения правил эшелонирования, которые определяют порядок рассредоточения ВС в воздухе на безопасные расстояния по каждой из трех координат. В соответствии с этими правилами каждому ВС, контролируемому системой управления воздушным движением (УВД), отводится воздушный коридор, в пределах которого должно находиться только одно ВС.

Стремление обеспечить полеты ВС в выгодных режимах, то есть по ортодромическим траекториям и на оптимальных для каждого типа ВС высотах, приводит к повышению плотности воздушного движения на кратчайших маршрутах и экономичных эшелонах, что вызывает необходимость сокращений воздушных коридоров. При этом требования безопасности воздушного движения и экономичности полетов ВС вступают в определенное противоречие. Приведение их во взаимное соответствие требует проведения комплекса мероприятий, направленных на совершенствование систем навигации и УВД и улучшение их взаимодействия [2 - 5]. Улучшение взаимодействия средств навигации и УВД является весьма актуальной задачей [6 - 9]. Так, почти 75% времени обслуживания ВС диспетчером УВД тратится на сбор, обработку и передачу информации [6]. При этом значительное число сеансов радиосвязи тратится на уточнение различных параметров полета, которые диспетчер мог бы получить в результате более совершенной обработки имеющейся информации.

Совершенствование бортовых средств навигации и повышения их точности позволяет в автоматическом режиме (при внедрении перспективной технологии УВД с использованием автоматического зависимого наблюдения (АЗЫ)) или по запросу диспетчера УВД осуществлять передачу данных о местоположении ВС либо об отклонении его местоположения от текущего плана при пролете контрольных пунктов, что особенно актуально для построения автоматизированных систем оперативного УВД, включающего в себя процессы текущего планирования, управления по траектории текущего плана и управления с экстраполяцией [9].

Уменьшение среднеквадратического отклонения (СКО) ВС от заданной траектории при фиксированной ширине воздушного коридора в зоне с наличием радиолокационного контроля со стороны службы УВД уменьшает загрузку диспетчера за счет уменьшения числа выходов ВС за пределы трассы, подлежащих ликвидации. Уменьшение числа команд, которые должен дать диспетчер для ликвидации отклонений ВС от заданной трассы, позволяет ему больше времени уделять анализу воздушной обстановки и оптимизации процессов регулирования воздушного движения и принятия решений, что будет способствовать повышению надежности УВД.

Эффективность комплексного использования систем навигации и УВД определяется техническими характеристиками обеих систем.

В [5] рассмотрен общий подход к решению задачи обеспечения заданных норм эшелонирования средствами навигации и УВД, в рамках которого оптимальный вариант сочетания технических характеристик средств навигации и УВД определяется по минимуму суммарных затрат на их совершенствование при условии обеспечения требуемого уровня безопасности полетов. Отмечается, что для обеспечения перспективных норм эшелонирования более предпочтительны технические решения, направленные на повышение точностных характеристик навигационной системы, поскольку они, как правило, требуют меньших капиталовложений, чем технические решения, направленные на совершенствование средств УВД.

Необходимость повышения точности самолетовождения приобретают особо важное значение в связи с внедрением аэродромных автоматизированных систем УВД (АС УВД), эффективность использования которых повышается с созданием в районах аэродромов стандартных пространственно-временных траекторий [1, 3]. Соответственно, повышаются требования к точностным характеристикам систем навигации и УВД, которые должны обеспечить коррекцию траектории движения ВС путем введения поправок в горизонтальную и вертикальную составляющие его скорости, а также поправок на начало разворотов с целью обеспечения точности времени осуществления посадки порядка нескольких секунд [12].

Особенно актуальна проблема повышения точности навигационных систем с точки зрения безопасности полетов ВС в зонах, в которых отсутствует наземный радиолокационный контроль, таких как океанические районы и районы Крайнего Севера, где основными средствами навигации в настоящее время являются курсо-доплеровские и инерциальные навигационные системы (ИНС). При этом необходимость развития комплексиро-ванных систем навигации обусловлена, в частности, тем, что ИНС не позволяют самостоятельно и надежно осуществлять безопасную навигацию в пределах установленных норм бокового эшелонирования для сети параллельных маршрутов («треков») при длительности полета порядка 10-12 часов, имеющих место в океанических районах. Так, например, используемые в настоящее время ИНС имеют погрешность в определении боковых отклонений 3,6 - 9,2 км (по уровню 2СКО) за один час полета, а курсо-доплеровские системы 3 - 4% от пройденного пути [11]. Наиболее совершенные ИНС, использующие безопорные гироскопы с электростатической подвеской фирм Litton и Singer-Kearfott (США) обеспечивают точность 1,85 км/час полета [12]. При этом требуемая для обеспечения регламентированного нормами ИКАО уровня безопасности полетовр = 0,18-10"7 катастроф/летный час точность навигации может быть реализована лишь при коррекции счисленных автономными системами навигации координат ВС по данным радиотехнических систем дальней навигации.

Точность навигации ВС существенно повышается при внедрении глобальных спутниковых радионавигационных систем (СРНС) типа GPS (США) и ГЛОНАСС (РФ), обеспечивающих согласно [13] при полете по трассе определение по открытому коду пониженной точности плановых координат с точностью ~100 м, а высоты с точностью ~150 м (при доверительной вероятностир = 0,95, что соответствует погрешности 2СКО).

Использование дифференциальных методов навигационных определений, реализуемых в виде локальных дифференциальных подсистем (ЛДПС) СРНС [14, 15], позволяет повысить точность местоопределения и использовать СРНС для решения задач захода на посадку и посадки ВС.

Переход полностью на спутниковую технологию, позволяющую, в принципе, решать задачи навигации ВС на всех этапах полета, в нашей стране сдерживается, с одной стороны, тем, что орбитальная группировка космических аппаратов (КА) отечественной СРНС ГЛОНАСС развернута не полностью [13], а с другой стороны, отсутствием достаточного количества сертифицированного бортового оборудования СРНС. При этом важное значение приобретают вопросы комплексирования СРНС ГЛОНАСС с СРНС GPS, обладающей большей полнотой орбитальной группировки КА, и с другими навигационными средствами.

Комплексирование СРНС ГЛОНАСС и GPS позволяет повысить целостность радионавигационного поля СРНС и точность комплексирован-ной системы, а комплексирование СРНС с ИНС - улучшить динамические характеристики СРНС. Комплексирование СРНС со средствами радиосвязи в рамках создания ЛДПС помимо повышения точности местоопределе-ния ВС, дающего возможность расширить функциональные возможности СРНС и использовать их на всех этапах полета, включая посадку, а также при проведении специальных работ, связанных с необходимостью точного местоопределения ВС на малых высотах, таких как поиск и спасение, пожаротушение и др., позволяет также улучшить характеристики канала передачи данных за счет его навигационной поддержки, что имеет существенное значение как для улучшения точностных и динамических характеристик ЛДПС, так и для повышения достоверности и оперативности передачи данных при УВД с АЗН.

Вопросам комплексирования СРНС ГЛОНАСС и GPS с другими навигационными средствами посвящена обширная литература. Общие идеи комплексной обработки навигационной информации отражены в работах В.И.Тихонова, М.С.Ярлыкова, Р.Л.Стратоновича, Л.Заде и Дж.Рагаззини и др. Проблемы комплексирования навигационных средств отражен в работах [16-21]. Так, в [16, 17] рассматриваются вопросы комплексирования СРНС ГЛОНАСС и GPS, в [18] - вопросы комплексирования СРНС и ИНС, в [19] - вопросы создания интегрированного оборудования навигации, посадки связи и наблюдения, а в [20, 21] - вопросы обеспечения целостности навигационных определений в комплексированных системах.

Вместе с тем, в имеющейся литературе не нашел отражения ряд вопросов, имеющих важное значение для теории и практики построения комплексированных систем навигационного обеспечения ВС. В частности, нет оценки эффективности комплексирования СРНС со штатным навигационным оборудованием курсо-доплеровского типа, которым оборудован значительный парк ВС, что особенно актуально в условиях неполного развертывания орбитальной группировки КА СРНС, когда приемоиндикатор СРНС рассматривается как вспомогательное средство навигации ВС.

Далека от разрешения проблема комплексирования СРНС с другими навигационными средствами и средствами радиосвязи в рамках создания ЛДПС, обеспечивающих категорированную посадку ВС. Здесь подлежат исследованию вопросы влияния подстилающей поверхности и параметров движения ВС при полетах и маневрировании на малых высотах на точность местоопределения ВС. Необходим также поиск наиболее эффективных методов навигационных определений и алгоритмов обработки информации, обеспечивающих максимальное ослабление влияния факторов, ухудшающих точность местоопределения на малых высотах.

В частности, необходимо исследование возможности использования для решения задач категорированной посадки ВС такой разновидности дифференциального режима, как навигационные определения с относительными координатами, или относительные навигационные определения [13], потенциально обеспечивающие более высокую точность местоопределения ВС. Кроме того, необходимо исследование возможности расширения определяемого с помощью средств навигации вектора положения ВС за счет включения в него угловых координат последнего, знание которых необходимо для посадки по III категории ИКАО.

С внедрением перспективной технологии УВД с АЗН, при которой навигационная информация с борта ВС по связному каналу передается в центр УВД, средства связи приобретают определяющую роль в комплексе технических средств системы УВД. В этой связи их совершенствование, а также совершенствование процедур информационного обмена по каналам авиационной связи при УВД становится необходимым условием совершенствования системы УВД в целом.

Переход на спутниковую технологию организации авиационной связи при УВД позволяет существенно улучшить качество функционирования систем связи и расширить их функциональные возможности. В частности, использование спутниковых средств связи позволяет решить задачу УВД с использованием технологии АЗН в океанических районах и районах Крайнего Севера, где использование традиционных средств связи метрового (MB) и декаметрового (ДКМВ) диапазонов волн проблематично как с точки зрения возможности перекрытия протяженных трасс, так и с точки зрения значительной зашумленности указанных диапазонов и нарушений связи в полярных районах в периоды авроральных возмущений ионосферы.

Наиболее развитой системой спутниковой связи (ССС), используемой для связи с подвижными объектами, в частности с ВС, является система ИНМАРСАТ [22]. Вместе с тем, необходимы анализ эффективности информационного обмена в соответствии с протоколом ССС ИНМАРСАТ при решении задач УВД и разработка рекомендаций по ее повышению. В частности, необходима выработка рекомендаций по организации связи по инициативе ВС, имеющей место при УВД с АЗН, обеспечивающей минимизацию энергетического и частотного ресурсов связного канала.

Существенное значение с точки зрения оперативности связи при УВД является разработка мер по минимизации задержки при передаче пакетов сообщений по каналам ССС с учетом приоритетности последних.

Наконец, необходим анализ факторов, влияющих на достоверность передачи информации в спутниковых каналах связи, таких как неточность синхронизации; нелинейность ретранслятора искусственного спутника Земли (ИСЗ), приводящей к специфическим для спутниковых каналов связи интермодуляционным помехам; отражения от подстилающей поверхности, наиболее существенные для каналов спутниковой связи, обслуживающих полярные районы, из-за малых углов места ИСЗ, характерных для этих районов. Необходима выработка рекомендаций по уменьшению их влияния на качество функционирования ССС при решении задач УВД.

Таким образом, из изложенного можно заключить об актуальности и целесообразности проведения исследований по теме диссертации.

Цель и задачи исследований. Целью работы является разработка методов и средств совершенствования навигационного обеспечения ВС и УВД на основе спутниковых технологий. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. Разработка методов навигационных определений на основе ком-плексирования СРНС с другими навигационными средствами и средствами радиосвязи, направленных на повышение надежности навигационного обеспечения ВС на всех этапах полета, включая посадку.

2. Разработка предложений по совершенствованию технических средств, реализующих перспективные навигационные определения с использованием СРНС при решении задач навигации и посадки ВС.

3. Разработка способов сокращения информационных потоков и рекомендаций по совершенствованию дисциплин обслуживания ВС при УВД с использованием ССС.

4. Разработка способов уменьшения влияния нелинейности ретранслятора ИСЗ и мешающих воздействий на достоверность передачи информации по спутниковым каналам связи при УВД.

Методы исследований. При решении перечисленных задач использованы методы системного анализа, прикладные методы теории вероятностей и теории случайных процессов и методы математического моделирования.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:

- проведен системный анализ перспектив использования спутниковых систем навигации и связи для решения задач навигации ВС и УВД на всех этапах полета, включая посадку;

- разработаны рекомендации по совершенствованию алгоритмов и реализующих их технических средств, обеспечивающих расширение функциональных возможностей и улучшение характеристик авиационных спутниковых систем навигации и связи.

В диссертации получены следующие основные научные результаты:

- предложены высокоточные разностно-дальномерные алгоритмы относительных навигационных определений пространственных координат и углового положения ВС с использованием СРНС, комплексированной с каналом передачи корректирующей информации или ретранслятором радионавигационного поля, и проведен сравнительный анализ существующих и предложенных методов навигационных определений с точки зрения применимости их для решения задач навигации и категорированной посадки ВС;

- на основе разработанной математической модели группового сигнала СРНС в условиях многолучевого распространения при полетах ВС на малых высотах синтезирован квазиоптимальный алгоритм обработки навигационной информации и получены расчетные соотношения для определения погрешности оценки радионавигационных параметров в СРНС в условиях многолучевости при различных методах навигационных определений;

- предложены критерий оценки эффективности навигационного оборудования ВС с учетом норм безопасности полетов и расчетные соотношения для определения необходимой периодичности корректировки местоположения ВС в автоматическом режиме полета и дана оценка сокращения объема информационных потоков при УВД за счет повышения точности навигации ВС при использовании в качестве позиционного корректора штатного навигационного оборудования приемоиндикатора СРНС;

- с использованием аппарата вероятностных графов произведен расчет статистических характеристик спутниковой цифровой линии передачи системы УВД с АЗН в условиях замираний, обусловленных отражениями сигнала от подстилающей поверхности, для различных видов модуляции;

- предложена оптимальная с точки зрения минимума среднего времени задержки процедура управления пакетами сообщений при УВД с использованием системы ИНМАРСАТ и доказана оптимальность с точки зрения минимума числа каналов процедуры управления с абсолютными приоритетами;

- предложен квазиоптимальный алгоритм расстановки частот в спутниковых каналах связи систем УВД, минимизирующий уровень интермодуляционных помех, обусловленных нелинейностью ретранслятора искусственного спутника Земли (ИСЗ), и дана оценка эффективности использования асинхронной передачи информации и сверточного кодирования для уменьшения их влияния на достоверность передачи данных при различных видах модуляции сигнала;

- получены расчетные соотношения для оценки влияния фединга сигнала на достоверность передачи данных по традиционным и спутниковым каналам связи при УВД в полярных районах и выработаны рекомендации по уменьшению этого влияния.

На защиту выносятся:

Заключение диссертации по теме «Навигация и управление воздушным движением», Слепченко, Петр Михайлович

4.4. Основные результаты и выводы

Основные научные результаты, полученные в 4-й главе, состоят в следующем:

1. Предложен квазиоптимальный алгоритм расстановки частот в спутниковых каналах связи систем УВД, основанный на такой перестановке несущих, в результате которой минимизируется уровень интермодуляционных помех, обусловленных нелинейностью ретранслятора ИСЗ, в наиболее зашумленном частотном канале, и путем моделирования на ЭВМ проведен анализ эффективности этого алгоритма при различных видах модуляции сигнала и различных запасах канала по ширине полосы.

2. Показано, что использование асинхронной передачи информации (неодновременного изменения посылок) по спутниковым каналам связи систем УВД позволяет эффективно подавлять интермодуляционные помехи, обусловленные нелинейностью ретранслятора ИСЗ при различных видах модуляции сигнала.

3. Дана оценка эффективности использования сверточного кодирования и перемежения символов для повышения достоверности передачи данных по спутниковым каналам связи систем УВД в условиях интермодуляционных помех при различных видах модуляции сигнала.

4. Доказано, что непараметрическая обработка сигналов с фазовой (ФМ) и амплитудной (AM) модуляцией, предполагающая предельное ограничение смеси сигнала и помехи с последующей корреляционной обработкой, являющаяся квазиоптимальной в условиях интенсивных аддитивных помех, сохраняет непараметрические и квазиоптимальные свойства и в условиях сложной мультипликативной помехи, моделирующей амплитуду т фазу сигнала, характерной для периодов авроральных возмущений ионосферы при работе систем передачи данных метрового (MB) и дека-метрового (ДКМВ) диапазонов в полярных районах.

5. Получено расчетное соотношение для оценки зависимости глубины интерференционных замираний сигнала в спутниковых каналах связи систем УВД, обусловленных отражениями от подстилающей поверхности, от угла места ИСЗ.

На основании полученных в 4-й главе результатов можно сделать следующие выводы:

1. Квазиоптимальная расстановка частот в спутниковых каналах связи систем УВД при двукратном запасе по полосе частот позволяет на 1,5 -2 дБ снизить уровень интермодуляционных помех в канале.

2. Использование асинхронной передачи информации по спутниковым каналам связи систем УВД позволяет на 2 дБ снизить уровень интермодуляционных помех в каждом частотном канале.

3. Использование сверточного кодирования в сочетании с перемеже-нием символов в спутниковых каналах связи систем УВД обеспечивает энергетический выигрыш до 6 - 7 дБ, что позволяет обеспечить высокую достоверность приема цифровой информации с вероятностью ошибки на бит менее 10"5 при пропускной способности ретранслятора ИСЗ порядка 20-ти каналов и скорости передачи по каждому из них 2400 бит/с.

4. Взаимозависимые флуктуации амплитуды и фазы сигнала, имеющие место в MB и ДКМВ каналах связи систем УВД в периоды авроральных возмущений ионосферы в полярных районах, приводят к смещению оценки фазы, приводящему к снижению достоверности передачи данных с использованием ФМ-сигналов.

5. При малых углах места ИСЗ, характерных для спутниковых каналов связи систем УВД, обслуживающих полярные районы, в случае использования линейной поляризации имеют место значительные интерференционные флуктуации сигнала, до 10 - 15 дБ. Использование круговой поляризации и направленных антенн позволяет снизить замирания до 6 дБ для наихудшего случая - углах места ИСЗ близких к углу Брюстера.

Научные результаты, полученные в 4-й главе, изложены в работах автора [85, 86, 92, 94,107409,112,115,1г0].

202 Заключение

Диссертация направлена на решение актуальной, имеющей важное народно-хозяйственное значение научно-технической проблемы совершенствования методов и средств навигационного обеспечения воздушных судов и управления воздушным движением на основе спутниковых технологий.

В результате проведенных исследований получены следующие основные научные результаты:

1. Предложены высокоточные алгоритмы относительных навигационных определений пространственных координат и углового положения ВС на основе разностно-дальномерных измерений с дискретным каналом передачи корректирующей информации и ретранслятором радионавигационного поля СРНС, разработана обобщенная модель трассы распространения сигналов СРНС при различных методах навигационных определений и проведен сравнительный анализ точностных характеристик существующих и предложенных методов навигационных определений с точки зрения применимости их для решения задач навигации и категорированной посадки ВС.

2. Получены расчетные соотношения для энергетических и вероятностных характеристик группового сигнала на входе приемоиндикатора СРНС при многолучевом распространении из-за отражений сигнала от подстилающей поверхности при полетах ВС на малых высотах, разработана математическая модель такого сигнала и с использованием аппарата теории оптимальной нелинейной фильтрации синтезирован квазиоптимальный алгоритм обработки навигационной информации в условиях мно-голучевости.

3. Получены расчетные соотношения для определения погрешности квазиоптимальной оценки псевдодальности в СРНС в условиях многолучевого приема сигналов при различных методах навигационных определений.

4. Разработаны требования к ретранслятору поля СРНС для реализации относительных навигационных определений координат ВС.

5. Предложен критерий оценки эффективности навигационного оборудования ВС с учетом норм безопасности полетов.

6. Получены расчетные соотношения для определения периодичности корректировки местоопределения ВС в автоматическом режиме полета и относительного увеличения продолжительности полета, связанного с боковым отклонением ВС от линии заданного пути, обусловленным воздействием на него возмущений и погрешностями навигационного оборудования.

7. Дана оценка сокращения объема информационных потоков в каналах «Земля - борт - Земля» при УВД за счет повышения точности навигации ВС при комплексировании штатного навигационного оборудования со средствами спутниковой навигации и при использовании предложенного способа совмещения речи и данных в спутниковых каналах связи систем УВД.

8. С использованием аппарата вероятностных графов произведен расчет статистических характеристик спутниковой цифровой линии передачи системы УВД с АЗН в условиях замираний, обусловленных отражениями сигнала от подстилающей поверхности, для различных видов модуляции.

9. Дана оценка эффективности информационного обмена при УВД с использованием ССС ИНМАРСАТ при различных интенсивностях поступления сообщений и скоростях передачи данных.

10. Доказана оптимальность (с точки зрения минимумизации среднего времени задержки сообщений) комбинированной процедуры управления как новыми (ранее не блокированными), так и блокированными пакетами сообщений при организации спутниковой связи по инициативе ВС в системах УВД и на основании анализа влияния приоритетности сообщений на среднее время задержки сообщений показана оптимальность (с точки зрения минимизации числа каналов) системы с абсолютными приоритетами.

11. Предложен квазиоптимальный алгоритм расстановки частот в спутниковых каналах связи систем УВД, основанный на расстановке несущих, обеспечивающей минимальный уровень интермодуляционных помех, обусловленных нелинейностью ретранслятора ИСЗ, в наиболее за-шумленном канале, и дана оценка эффективности этого алгоритма при различных видах модуляции сигнала и различных запасах канала по ширине полосы.

12. Дана оценка эффективности использования асинхронной передачи информации и сверточного кодирования в спутниковых каналах связи систем УВД для уменьшения влияния интермодуляционных помех на достоверность передачи данных при различных видах модуляции.

13. Доказано, что непараметрическая обработка сигналов с амплитудной и фазовой модуляцией, предполагающая предельное ограничение смеси сигнала и помехи с последующей корреляционной обработкой сохраняет свои непараметрические и квазиоптимальные свойства при наличии наряду с аддитивными помехами мультипликативной помехи, характерной для систем передачи данных метрового (MB) и декаметрового (ДКМВ) диапазонов при работе в высоких широтах в условиях аврораль-ных возмущений ионосферы.

14. Получено расчетное соотношение для оценки зависимости глубины интерференционных замираний сигнала от угла места ИСЗ в спутниковых каналах связи систем УВД при работе в высоких широтах.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. Переход от дифференциального метода навигационных определений к известным относительным определениям, реализуемым с использованием штатного цифрового канала связи для передачи корректирующей информации либо путем создания вторичного радионавигационного поля СРНС с помощью ретранслятора, позволяет примерно на 30% повысить точность местоопределения ВС по СРНС GPS и не дает выигрыша в точности при работе по СРНС ГЛОНАСС из-за большой шумовой погрешности последней.

2. Существенное повышение точности местоопределения ВС по СРНС GPS и ГЛОНАСС при относительных навигационных определениях возможно при переходе к разностно-дальномерным определениям, позволяющим практически полностью исключить влияние системных погрешностей, включая их ионосферную и тропосферную компоненты. При этом определяющими становятся погрешность многолучевости и шумовая погрешность, которые могут быть уменьшены путем оптимизации приемника к работе в условиях многолучевости и комплексирования приемоиндика-тора СРНСсИНС.

3. При использовании разностно-дальномерного метода относительных навигационных определений, комплексирования приемоиндикатора СРНС с ИНС и оптимизации приемника к работе в условиях многолучевости в случае измерений по высокоточному кода или фазе несущей СРНС GPS и ГЛОНАСС возможна категорированная посадка ВС по любой категории посадки, в случае же использования кода пониженной точности по СРНС GPS возможна посадка лишь по 1-й категории ИКАО, а по СРНС ГЛОНАСС - некатегорированная посадка с поддержкой от высотомера.

4. Оптимизация обработки навигационной информации в СРНС к работе в условиях многолучевости требует включения в состав вектора фильтруемых параметров амплитуды прямого сигнала СРНС. При этом квазиоптимальная оценка псевдодальности определяется по точке первого «перегиба» функции корреляции группового сигнала, что позволяет практически полностью устранить влияние многолучевости на точность место-определения ВС.

5. Для получения достаточной величины рабочей зоны навигационной сети СРНС с ретранслятором (Rmin « 10 м, Rmst% « 500 км) необходим вынос спектра радионавигационного поля ретранслятора за пределы спектра СРНС с разносом их центральных частот не менее 10 МГц, подавление внеполосных помех не менее - 30 дБ и разнесение фазовых центров приемной и передающей антенн ретранслятора на расстояние не менее 0,12 м.

6. Использование в качестве позиционного корректора курсо-доплеровской системы автоматического управления перемещением ВС в горизонтальной плоскости вместо радиотехнической системы ближней навигации (РСБН) приемоиндикатора СРНС обеспечивает снижение на один-два порядка вероятности выхода ВС за границы воздушного коридора, что позволяет сократить объем информационных потоков, связанных с коррекцией траектории ВС, и примерно на 35% уменьшить коэффициент загруженности диспетчера УВД, а совмещение речи и данных в спутниковых каналах связи системы УВД позволяет дополнительно передавать данные по совмещенному каналу со скоростью 1 кбит/с при ухудшении отношения сигнал/шум для речевого сигнала не более чем на 5 дБ.

7. При использовании для УВД с АЗН спутникового канала связи с информационной обратной связью минимальная энергия на бит информации обеспечивается при вероятности ошибки обнаружения символа 10"5 в случае нефлуктуирующего сигнала и при вероятностях 10'3 и 10"4, соответственно, для коротких и длинных сообщений при наличии замираний сигнала.

8. При организации спутниковой связи по инициативе ВС в системах УВД в соответствии с протоколом системы ИНМАРСАТ задержка в передаче сообщений зависит, в основном, от задержки в передаче по каналу свободного доступа запроса ВС на представление канала связи. Использование комбинированной процедуры управления как новыми, так и блокированными пакетами сообщений позволяет увеличить число ВС, находящихся в зоне обслуживания ИСЗ, при котором сохраняется приемлемое время задержки в передаче сообщений, с 200 - 400 до 1000 - 1200.

9. Для передачи пакетов сообщений с требованиями на организацию связи при числе ВС, находящихся в зоне обслуживания ИСЗ, не превышающем 700 - 800, целесообразно, использовать систему с резервированием части времени кадра для передачи пакетов с аварийными требованиями, обеспечивающую минимальное расходование частотного ресурса ретранслятора ИСЗ. При числе же ВС 1000 и более необходимо выделение отдельного канала связи для передачи пакетов с аварийными требованиями. При этом для полного удовлетворения потребностей в радиообмене с ВС при УВД при их числе в зоне обслуживания ИСЗ до 1000 достаточно иметь около 20-ти рабочих каналов спутниковой связи, причем при использовании приоритетных дисциплин обслуживания с очередями при задержке в предоставлении канала связи 0,5 с для приоритетных и 5 с для неприоритетных требований возможно уменьшение этого числа на 5 - 6 каналов.

10. Квазиоптимальная расстановка частот в спутниковых каналах связи систем УВД позволяет на 1,5 - 2 дБ снизить уровень интермодуляционных помех в канале. Дополнительное снижение этих помех на 3 дБ обеспечивает использование асинхронной передачи информации. Использование сверточного кодирования обеспечивает энергетический выигрыш до 6 - 7 дБ, что позволяет обеспечить приема цифровой информации с вероятностью ошибки на бит менее 10"5 при пропускной способности ретранслятора ИСЗ порядка 20-ти каналов и скорости передачи по каждому из них 2400 бит/с.

11. Флуктуации амплитуды и фазы сигнала, имеющие место в MB и ДКМВ каналах связи систем УВД в периоды авроральных возмущений ионосферы в полярных районах, приводят к смещению оценки фазы, что снижает достоверность передачи данных с использованием ФМ-сигналов.

12. При малых углах места ИСЗ, характерных для спутниковых каналов связи систем УВД, обслуживающих полярные районы, в случае использования линейной поляризации имеют место значительные интерференционные замирания сигнала, до 10 - 15 дБ. Использование круговой поляризации и направленных антенн позволяет снизить их уровень до 6 дБ.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Слепченко, Петр Михайлович, 2004 год

1. Методика определения минимумов эшелонирования, применяемых для разделения параллельных линий пути в структурах маршрутов УВД. Циркуляр ИКАО № 120 AN/89/2,1976.

2. Анодина Т.Г. Основные направления и перспективы автоматизации управления воздушным движением. В кн.: Управление воздушным движением. М.: Воздушный транспорт, 1979.

3. Кузнецов М.И., Мокшанов В.И. Основные направления совершенствования системы управления воздушным движением. В кн.: Труды Гос-НИИГА, вып. 161. М.: ГосНИИГА, 1978.

4. Крыжановский Г.А. Комплексный характер задач рационального принятия решений при УВД. В кн.: Управление воздушным движением. М.: Воздушный транспорт, 1979.

5. Федоров Ю.М., Куранов В.П., Уманский В.А. Общий подход к решению задачи обеспечения заданных норм эшелонирования средствами навигации и УВД. В кн.: Труды ГосНИИГА, вып. 161. М.: ГосНИИГА, 1978.

6. Маркович Е.Д. Взаимосвязь навигации и УВД по обеспечению безопасности полетов на воздушных трассах. В кн.: Труды ГосНИИГА, вып. 119. М.: ГосНИИГА, 1975.

7. Федоров Ю.М., Куранов В.П., Носовский А.В. К вопросу обоснования требуемой надежности функционирования навигационной системы. В кн.: Труды ГосНИИГА, вып. 161. М.: ГосНИИГА, 1978.

8. Кейн В.М., Красов А.И., Крыжановский Г.А., Федоров С.М., Грачев В.В. Применение автоматизированных систем для управления воздушным движением. М.: Транспорт, 1979.

9. Агаджанов П.А., Воробьев В.Г., Кузнецов А.А., Маркович Е.Д. Автоматизация самолетовождения и управления воздушным движением. М.: Транспорт, 1980.

10. Молоканов Г.В. Точность и надежность навигации летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1967.

11. Хитчев С.В., Носовский А.В., Куранов В.П., Федоров Ю.М. Обоснование точности самолетовождения при полетах в организованной системе параллельных трасс. В кн.: Труды ГосНИИГА, вып. 161. М.: ГосНИИГА, 1978.

12. Ноздрин В.И., Поляк В.Ю. Развитие систем навигации на трассах, в аэродромных маневренных зонах и систем посадки. Итоги науки и техники, Воздушный транспорт, 1980, т. 8.

13. Соловьев Ю.А. Системы спутниковой навигации. М.: Радио и связь, ИТЦ «Эко-Трепдз», 2000.

14. Blomenhofer Н, Mattissek. The New DASA NFS Ground Station Family for Use in Civil Aviation, Proc. Of DSNS - 96, Add. vol. 1, St. Petersburg, May 1966, Paper № 17.

15. Differentiol GNSS for safe and Accurate Landings, Рекламный проспект формы DASA, 1996.

16. Ярлыков M.C., Базаров А.А. Совмещенная аппаратура потребителей спутниковой и гиперболической радионавигационных систем. Радиотехника, 1992, № 4.

17. Кинкулькин И.Е. Совмещенная аппаратура потребителей спутниковых радионавигационных систем. Радиотехника, 1996, № 1.

18. Kugler D, Gustke F. Integration of GPS and Loran/Chayka an European Perspective, National Technical Meeting Navigation, Amsterdam, 18-21 Now. 1997.

19. Варавва В.Г., Кирейчиков B.A. Контроль целостности GNSS в бортовых навигационных системах. Проблемы безопасности полетов, 1992, № 9.

20. INMARSAT Council АСТОМ. Twenty-Fith Session. 4-12 February, 1987.

21. Шебшаевич B.C. и др. Дифференциальный режим сетевой спутниковой радионавигационной системы. Зарубежная радиоэлектроника, 1989, т. 8.

22. Способ радионавигации. Авторское свидетельство 878035, М. кл. G 0155/02.

23. Система SATREK для наведения ракет Трайдент-2. Космическая техника и телеметрия, 1985, № 15.

24. Мишенко И.Н. и др. Использование системы NAVSTAR для определения угловой ориентации объектов. Зарубежная радиоэлектроника, 1989, т. 1.

25. Пестряков В.Б. и др. Шумоподобные сигналы в системах передачи информации. М.: Советское радио, 1973.

26. Жуковский А.П., Оноприенко Е.И., Чижов В.И. теоретические основы радиовысотометрии. М.: Советское радио, 1979.

27. Стандарт США RTCM 134-89 sc 104-68, ред. № 2.

28. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высшая школа, 2000.

29. Зубкович С.Г. Статистические характеристики радиосигналов, отраженных от земной поверхности. М.: Советское радио, 1968.

30. Корсунский Л.Н. Распространение радиоволн при самолетной радиосвязи. М.: Советское радио, 1965.

31. Болбот А.А. Связные и навигационные антенны самолетов. М.: Транспорт, 1978.

32. Рыжик И.М., Градштейн И.С. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. М.: наука, 1971.

33. Алиев М.А. Оптимизация алгоритмов приема и обработки информации в приемоиндикаторах сетевых спутниковых навигационных систем. Кандидатская диссертация. М.: МИИГА, 1991.

34. Стратонович Р.Я. Условные процессы Маркова. Теория вероятностей и ее применения. 1960, вып. 2.

35. Стратонович Р.Я. Применение теории процессов Маркова для оптимальной фильтрации сигналов. Радиотехника и электроника, 1960, т. Y, № 11.

36. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. М.: Радио и связь, 1985.

37. Кейн В.М. Оптимизация систем управления по минимальному критерию. М.: Наука, 1985.

38. Беллиан Р., Гликеберг И., Грасс О. Некоторые вопросы математической теории управления. М.: Иностранная литература, 1962.

39. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. М.: Радио и связь, 1982.

40. Ляпидевский Г.А. Влияние технического состояния бортового радионавигационного оборудования на эффективность трассовых полетов самолетов гражданской авиации. Кандидатская диссертация. Рига: РКИИ-ГА, 1982.

41. Колчинский В.Б., Мандровский И.А. и др. Автономные доплеров-ские устройства и системы навигации летательных аппаратов. М.: Советское радио, 1975.

42. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники, кн. 1. М.: Советское радио, 1966.

43. Хиврич И.Г., Белкин A.M. Автоматизированное вождение воздушных судов. М.: Транспорт, 1985.

44. Челпанов Н.Б. Оптимальная обработка сигналов в навигационных системах. М.: Наука, 1967.

45. Солодовников В.В. Статистическая динамика линейных систем автоматического управления. М.-Л.: Физматгиз, 1960.

46. Анодина Т.Г., Володин С.В., Куранов В.П., Мокшанов В.И. Управление воздушным движением. М.: Транспорт, 1988.

47. Smith В. Ilustancous companding of qbantised signals. BSTJ, 1982, v.36.

48. Величкин А.И. Передача аналоговых сообщений по цифровым каналам связи. М.: Радио и связь, 1983.

49. Доклад третьего совещания Специального комитета ИКАО по будущим аэронавигационным системам (FANS), 3-21 ноября, Монреаль,1986.

50. Связная система адресований и сообщений. Модель 2. Характеристика АРИНК-724. Горький: ГНИИРС, 1979.

51. Передача информации с обратной связью. Под ред. З.М.Каневского. М.: Связь, 1976.

52. Вентцель Е.С. Исследование операций. М.: Советское радио, 1972.

53. Феллер В. Введение в теорию вероятностей и ее приложения, кн.1. М.: Мир, 1984.

54. IKAO FANS, North a tlantic sistems. Planning Group Muting Lislon. Satellites for civil airation by INMARSAT, 12 May, 1986.

55. INMARSAT Counul, ATOM, Twenty-Fijth Session, 4-12 February,1987.

56. Клейнрок JI. Вычислительные системы с очередями. Пер. с англ. Под ред. В.С.Цыбакова. М.: Мир, 1979.

57. Ховард Р. Динамическое программирование и марковские процессы. Пер. с англ. Под ред. Н.П.Бусленко. М.: Советское радио, 1964.

58. Lam S., Kleinrock L. Packet switching in a multiaxess broadcast channel: performance evaluation. IEEE Transactions on Communications, 1975, v. COM-23, № 4.

59. Корчагин В.А., Прохоров A.B. Организация доступа в спутниковой системе связи с воздушными судами гражданской авиации. В кн.: Теория и практика применения и совершенствования радиоэлектронных систем ГА. М.: МИИГА, 1985.

60. Штермер X. и др. Теория телетрафика, пер. с англ. Под ред. Г.П.Башарина. М.: Связь, 1971.

61. Джейсоул Н.К. Очереди с приоритетами, пер. с англ. Под ред. В.В.Калашникова. М.: мир, 1973.

62. Лившиц B.C., Фидлин Я.В. Системы массового обслуживания с конечным числом источников. М.: Связь, 1968.

63. Спилкер Дж. Цифровая спутниковая связь. Пер. с англ. Под ред. В.В.Маркова. М.: Связь, 1974.

64. Клейнрок Л. теория массовго обслуживания. Пер. с англ. Под ред. В.И.Неймана. М.: Машиностроение, 1979.

65. Гнеденко В.В., Коваленко И.П. Введение в теорию массового обслуживания. М.: Наука, 1966.

66. Эллдин А., Линд Г. Основы телетрафика, пер. с англ. Под ред. А.Д.Харкевича. М.: Связь, 1972.

67. Karp S. Some observations of satellite aircraft multipath properties of 1600 mhz. IEEE Transactions on Communications, 1974, v. COM-22, № 10.

68. Doherty R.H., Johter J.R. Unexploited potentials of Loran C. Navigation (USA), 1975, v. 22, № 4.

69. Маркович Е.Д. Взаимосвязь навигации и УВД по обеспечению безопасности полетов на воздушных трассах. Труды ГосНИИГА, вып. 119. М.: ГосНИИГА, 1975.

70. Связь с подвижными объектами в диапазоне СВЧ. Под ред. Т.К.Джеймса. Пер. с англ. под ред. М.С. Ярлыкова, М.В.Чернякова. М.: Связь, 1974.

71. Helen S. Improvements in the tropospheric refraction correction for raugemeasument. Phil. Jrans. R. Soc. Lound, 1979, v. A-294.

72. Lam S., Kleinrock L, Packet switching in a multiaxess broadcast channel: dynamic, control, procedures. IEEE Transactions on Communications Conference, 1981. Conf. Record, 1981, v. 3, № 7.

73. Помехоустойчивость и эффективность систем передачи информации. Под ред. А.Г.Зюко. М.: Радио и связь, 1985.

74. Черняк Ю.Б. О линейных свойствах системы «широкополосный ограничитель фильтр», радиотехника и электроника, 1962, т. YIII,№ 7.

75. Жодзишский А.И., Кий А.И., Соколов В.П. Вероятностные характеристики федингующего сигнала. Радиотехника и электроника, 1970, т. XII, № 7.

76. Гребельский М.П., Паньков Г.Х., Цирлин В.М. Оптимизация линий спутниковой связи при передаче скоростных цифровых потоков. Электросвязь, 1979, № 12.

77. Слепченко П.М. Совершенствование относительных навигационных определений в спутниковых РНС на основе разностно-дальномерного способа измерений. Научный вестник МГТУ ГА. Серия Радиофизика и радиотехника, № 79,2004.

78. Слепченко П.М. Оптимизация обработки навигационной информации в спутниковых РНС в условиях многолучевого приема сигналов. Научный вестник МГТУ ГА. Серия Радиофизика и радиотехника, № 79, 2004.

79. Слепченко П.М. Относительные навигационные определения с ретрансляцией поля СРНС в задачах поиска и спасения. Научный вестник МГТУ ГА. Серия Радиофизика и радиотехника, № 79,2004.

80. Слепченко П.М. Оценка эффективности навигационного оборудования воздушных судов с учетом норм безопасности полетов. Научный вестник МГТУ ГА. Серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов, № 74, 2004.

81. Слепченко П.М. Влияние возмущений ионосферы на качество связи систем УВД в высоких широтах. Научный вестник МГТУ ГА. Серия Радиофизика и радиотехника, № 76, 2004.

82. Слепченко П.М. Особенности функционирования спутниковых каналов связи систем УВД в полярных районах. Серия Радиофизика и радиотехника, № 76,2004.

83. Слепченко П.М. Уменьшение коэффициента загруженности диспетчера УВД за счет совершенствования средств навигации ВС. Сборник научных трудов «Проблемы эксплуатации и совершенствования транспортных систем», т. VIII. С-Петербург: Академия ГА, 2003.

84. Слепченко П.М. Анализ влияния нелинейности ретранслятора на качество функционирования спутникового канала связи системы УВД. Сборник научных трудов «Проблемы эксплуатации и совершенствования транспортных систем», т. IX. С.-Петербург: Академия ГА, 2004.

85. Слепченко П.М. Повышение эффективности использования при УВД спутниковых каналов связи в условиях мешающих воздействий. Сборник научных трудов «Проблемы эксплуатации и совершенствования транспортных систем», т. IX. С.Петербург: Академия ГА, 2004.

86. Слепченко П.М., Рубцов Д.В. Комплексные измерения вектора положения ВС в СРНС. Сборник научных трудов «Проблемы эксплуатации и совершенствования авиационной техники и систем воздушного транспорта», т. III. С.-Петербург: Академия ГА, 1997 1998.

87. Слепченко П.М., Мельникова Г.В. Электронные устройства авиационных комплексов обеспечения полетов ВС, ч. I. Учебное пособие. С.Петербург: Академия ГА, 2003.

88. Юб.Слепченко П.М. Метод оценки эффективности навигационного оборудования ВС с учетом его влияния на безопасность полетов. Сборник научных трудов «Проблемы эксплуатации и совершенствования транспортных систем», т. IV. С.-Петербург: Академия ГА, 1999.

89. Слепченко П.М. Интермодуляционные помехи в спутниковых каналах связи и пути их уменьшения. Материалы III Международной научно-технической конференции. Секция 6-1. Киев: НАУ, 2001.

90. Слепченко П.М. Влияние амплитудного и фазового фединга сигнала в периоды возмущений ионосферы на качество передачи AM и ФМ сигналов при использовании непараметрических методов их обработки.

91. Сборник научных трудов «Проблемы эксплуатации и совершенствования транспортных систем», т. VI. С.-Петербург: Академия ГА, 2001.

92. ПО.Слепченко П.М. Анализ статистических характеристик спутниковой системы передачи данных при УВД. Материалы III Международной научно-технической конференции. Секция 6-1. Киев: НАУ, 2001.

93. Слепченко П.М. Методы обеспечения достоверности передачи данных при УВД по спутниковым каналам связи. Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы радиоэлектроники», посвященной Дню радио. Красноярск: КГТУ, 2004.

94. Рубцов В.Д., Слепченко П.М. Синтез алгоритма оптимальной обработки сигнала в спутниковых радионавигационных системах в условиях многолучевого приема. Радиотехнические тетради, № 28,2004.

95. Слепченко П.М. Квазиоптимальная обработка федингующих сигналов с амплитудной и фазовой модуляцией, радиотехнические тетради, №28,2004.

96. Слепченко П.М. Метод повышения точности относительных навигационных определений в СРНС. Международная научно-практическая конференция Сибирского авиакосмического салона «САКС-2001». Тезисы докладов. Красноярск: СибГАУ, 2001.