Повышение достоверности передачи данных в спутниковых системах навигации и посадки и системах управления воздушным движением с автоматическим зависимым наблюдением тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.13, кандидат технических наук Андреев, Андрей Георгиевич

• Андреев, Андрей Георгиевич
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Андреев, Андрей Георгиевич

Введение.

1. Методы улучшения характеристик канала передачи данных при комплексировании средств радиосвязи и радионавигации для решения задач навигации и посадки ВС и УВД с автоматическим зависимым наблюдением.

1.1. Требования к каналам передачи данных в системах навигации, посадки и системах УВД с автоматическим зависимым наблюдением на основе спутниковой РНС.

1.2. Уменьшение позиционных ошибок местоопределения ВС при автоматической передаче навигационных данных с борта ВС в центр УВД за счет совершенствования системы синхронизации связного канала.

1.3. Улучшение характеристик канала передачи данных в комплексированных системах связи и навигации за счет использования навигационной поддержки.

1.4. Выводы по главе 1.

2. Имитационное моделирование помех в каналах передачи навигационных поправок в спутниковых системах навигации и посадки и навигационных данных в системах УВД с автоматическим зависимым наблюдениям.

2.1. Анализ характеристик помех в каналах передачи данных дифференциальных подсистем спутниковых РНС и систем УВД с автоматическим зависимым наблюдением.

2.2. Формирование модели атмосферных и индустриальных помех в авиационных каналах передачи данных, учитывающей эксплуатационные условия.

2.3. Выводы по главе 2.

3. Анализ эффективности помехоустойчивого кодирования в каналах передачи данных спутниковых систем навигации и посадки и систем УВД с автоматическим зависимым наблюдением в условиях квазиимпульсных помех при корреляционной обработке.

3.1. Потенциальная эффективность систем передачи данных по каналам связи с негауссовыми квазиимпульсными помехами

3.2. Анализ помехоустойчивости и эффективности блочных кодов.

3.3. Анализ помехоустойчивости и эффективности сверточных кодов.

3.4. Сравнительный анализ эффективности блочных и сверточных кодов при передаче данных по каналу с квазиимпульсными помехами и корреляционной обработке

3.5. Выводы по главе 3.

4. Анализ эффективности помехоустойчивого кодирования в каналах передачи данных спутниковых систем навигации и посадки и систем УВД с автоматическим зависимым наблюдением в условиях квазиимпульсных помех при квазиоптимальной обработке.

4.1. Анализ помехоустойчивости квазиоптимального алгоритма обработки в условиях действия квазиимпульсных помех.

4.2. Анализ помехоустойчивости канала передачи данных при квазиоптимальной обработке и блочном кодировании.

4.3. Анализ помехоустойчивости канала передачи данных при квазиоптимальной обработке и сверточном кодировании.

4.4. Сравнительный анализ эффективности блочных и и сверточных кодов при передаче данных по каналу с квазиимпульсными помехами и квазиоптимальной обработке.

4.5. Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение достоверности передачи данных в спутниковых системах навигации и посадки и системах управления воздушным движением с автоматическим зависимым наблюдением»

Актуальность работы. Повышение точности местоопределения воздушного судна (ВС) с помощью бортовых средств навигации, связанное, в первую очередь, с внедрением в практику самолетовождения спутниковых радионавигационных систем (СРНС) типа ГЛОНАСС (РФ) и GPS (США), делает возможным и целесообразным расширение функциональных возможностей высокоточных средств навигации.

Преимущества спутниковых систем навигации достаточно глубоко проанализированы в ряде известных работ [1 - 5]. Основным их достоинством, как отмечалось, является повышенная точность определения вектора местоположения ВС, на порядок и более превышающая точности, реализуемые в РНС с наземным базированием опорных станций [6]. К тому же вектор состояния ВС, оцениваемый в СРНС, содержит в общем случае расширенный набор навигационных параметров (НП) и включает в себя четырехмерный вектор координат и сдвига бортовой шкалы времени (БШВ) ВС относительно шкалы времени системы (.х, у, z, At) и четырехмерный вектор скорости их изменения х, у, z, At . Такой набор НП полУ ностью перекрывает требования разнообразных навигационных задач (НЗ), обеспечивая пользователей трехмерной маршрутной навигацией с привязкой к системе точного времени в любой точке Земного шара.

Тем не менее существует несколько НЗ, для решения которых традиционно используются узкоспециализированные системы. К ним, в частности, относятся задачи захода на посадку и посадки ВС, задачи ближней навигации, управления воздушным движением (УВД).

Между тем большая часть проблем навигации ВС и УВД может быть решена комплексно при использовании СРНС, в чем и состоит переход на спутниковую технологию в рамках реализации концепции создания интегрированного оборудования навигации, посадки, связи и наблюдения (CNS/ATM).

Расширение функций СРНС, предназначавшихся первоначально для обеспечения трассовой навигации, вызвало к жизни появление дифференциальных подсистем, включающих в себя помимо навигационного оборудования аппаратуру связи для передачи корректирующей информации, так называемых навигационных поправок. К ним относятся, в частности, широкозонные дифференциальные подсистемы (ШДПС) типа WAAS [7],

EGNOS [8] и MSAS [9], предназначенные для обеспечения уровней доступности, целостности и точности, соответствующих требованиям RNP [10, 11], то есть требуемым навигационным характеристикам (ТНХ), предъявляемым к основным системам обеспечения самолетовождения на всех этапах полета вплоть до захода на посадку по 1-й категории посадки ИКАО, для Северо-Атлантического, Европейского и Тихоокеанского зон Земного шара, соответственно.

Повышение уровней точности, доступности и целостности (с применением RA1M - автономного контроля целостности в аппаратуре потребителей (АП)) достигается увеличением числа навигационных космических аппаратов (КА) СРНС за счет использования связных геостационарных КА (ГКА) типа Инмарсат, на которых устанавливается ретранслятор навигационных сигналов СРНС, а также развертыванием сети широкозонных корректирующих (ШКС), главных (ГКС) станций и наземных станций передачи данных (НСПД), осуществляющих, соответственно, сбор данных о состоянии навигационного поля, их обработку и передачу корректирующей информации на ГКА и потребителям.

В РФ в настоящее время высокие требования к навигационному обеспечению ВС частично удовлетворяются с помощью наземного и бортового оборудования радиотехнических систем ближней навигации (РСБН, маяки VOR/ДМЕ), приводных радиостанций (ПРС), метровых и дециметровых систем типа ИЛС и ГТРМГ. Соответствующее бортовое оборудование имеется на большинстве ВС. Эти системы, разработанные еще в 50-х годах, морально и физически устарели. Кроме того, существующая аэронавигационная система не полной мере удовлетворяет требованиям к регулярности полетов ВС, не полностью охватывает районы полетов (например, кроссполярные и трансполярные трассы), а также не учитывает новые тенденции развития навигационного обеспечения ВС в рамках концепции CNS/ATM.

Приказом ФАС РФ № 61 от 1998г. начато оборудование ВС бортовой аппаратурой СРНС ГЛОНАСС и GPS в качестве дополнительного средства применительно к полетам по маршруту. Однако наибольшие выгоды при использовании СРНС получаются в том случае, если они имеют статус основных средств на всех этапах полета ВС, включая заход на посадку и саму посадку, что может быть обеспечено с помощью дополнений СРНС - широкозонных и локальных дифференциальных подсистем (ШДПС и ЛДПС).

С учетом того, что ШДГТС EGNOS и MSAS, развертывание которых предполагается в ближайшее время, покрывают большую часть территории РФ, а также с учетом значительного морального и физического износа существующих средств навигационного обеспечения полетов ВС, в первую очередь РСБН и ПРМГ, обсуждается вопрос о размещении на территории РФ ШКС, ГКС и НСПД интегрированной 1ИДПС EGNOS и MSAS [12].

Реализация этих предложений позволит существенно сократить расходы РФ на оборудование трасс и аэродромов для посадки по 1-й категории ИКАО, а также обеспечить у нас полеты зарубежных ВС, оборудованных перспективным спутниковым оборудованием.

Кроме того, это облегчит решение задачи автоматизации УВД путем внедрения перспективной технологии автоматического зависимого наблюдения (АЗН), при которой навигационные данные о местоположении ВС, полученные в СРНС и уточненные за счет дополнения ее ШДПС, передаются в систему УВД. При этом, если для передачи данных используется спутниковая система связи (ССС) типа Инмарсат, то при размещении Земной станции (ЗС) системы в зональном центре (ЗЦ) УВД дальнейшая передача данных в районные центры (РЦ) может осуществляться традиционными средствами с помощью ДКМВ и MB станций, оснащенных модемом. Заметим, что функции ЗС очевидно могут выполнять и НСПД, входящие в ШДПС.

Согласно анализу, проведенному в [12], если исключить расположение ШКС, ГКС и НСПД интегрированной ШДПС EGNOS и MSAS в труднодоступных районах Сибири и Крайнего Севера, то «неприкрытым» районом оказывается северо-восток РФ. Для обеспечения посадки ВС в этом районе (на широтах свыше 65-70°) должны использоваться ЛДПС. Целесообразность испочьзозания ЛДПС-, в остальных районах РФ обусловлена также необходимостью обеспечения категорированной посадки ВС (по 2-й, а в перспективе и 3-й категориям ИКАО).

Комплексирование средств радиосвязи и радионавигации для решения задач навигации и посадки ВС и УВД с автоматическим зависимым наблюдением требует исследования взаимного влияния комплексируемых систем. С одной стороны, при автоматической передаче навигационных данных по каналу связи конечное время синхронизации последнего приводит к возникновению позиционных ошибок местоопределения ВС за счет «старения» навигационных данных. Соответственно, возникает проблема поиска путей уменьшения этих ошибок за счет совершенствования системы синхронизации связного канала.

С другой стороны, при комплексировании средств радиосвязи и радионавигации появляется возможность улучшения характеристик связного канала путем его навигационной поддержки, физическими предпосылками к чему являются наличие функционально связанных параметров связных и навигационных сигналов и информационная избыточность измерений.

Авиационные ЛДПС СРНС обеспечивают максимальную дальность действия от контрольно-корректирующей станции (ККС) до 50 км. Позиция ИКАО относительно формата сообщений и радиоканала для авиационных ЛДПС нашла отражение в стандарте SARPS по глобальным спутниковым навигационным системам (GNSS) 1999г., в котором учитывается стандарт 11ТСА/ДО-217 по минимальным характеристикам авиационных систем [13], подготовленный Радиотехнической комиссией по авиации США.

В соответствии с этим стандартом разработан ряд систем, предназначенных для обеспечения полетов ВС гражданской авиации [14 - 16]. Линия передачи данных (ЛПД) указанных систем использует MB диапазон частот (108 - 118 МГц). Формат сообщения ЛПД включает: служебную последовательность, информационный массив, корректирующую кодовую последовательность (FEC-Forward Error Correction) и вспомогательные символы.

Следует отметить, что MB диапазон частот существенно сильнее подвержен воздействию помех, нежели L-диапазон, в котором осуществляется передача навигационных сигналов СРНС ГЛОНАСС и GPS [3]. Это обусловлено тем, что индустриальные помехи, имеющие преимущественно импульсный характер и являющиеся одними из основных внешних помех радиоприему, имеют достаточно высокий уровень до частот порядка 1 ГГц в черте города и до частот порядка 300 МГц в пригороде [17, 18]. Если учесть, что аэропорты расположены преимущественно в пригороде, а также то, что имеет место тенденция приближения к ним основных транспортных магистралей (автомобильных и железнодорожных), являющихся одними из основных источников помех, то можно заключить, что на линии передачи данных ЛДПС СРНС индустриальные помехи должны оказывать существенное влияние. Еще более остро проблема помехозащищенности линий передачи данных стоит в системах УВД АЗН, работающих в диапазонах, отведенных гражданской авиации для радиосвязи: 2-30 МГц

ДКМВ), 118 - 135 МГц (MB). Это связано с тем, что в ДКМВ диапазоне помимо индустриальных помех существенное влияние на работу линий передачи оказывают атмосферные помехи [19, 20], имеющие, также как и индустриальные помехи, преимущественно импульсный характер. Из-за наличия гладкой («фоновой») компоненты указанные помехи относят к классу так называемых квазиимпульсных помех, входящих в более широкий класс негауссовых помех [21].

Актуальность исследования устойчивости авиационных каналов передачи данных к воздействию интенсивных атмосферных помех обусловлена возрастающими требованиями к регулярности полетов и, соответственно, имеющей место тенденцией к снижению норм метеоминимумов, поскольку уровень атмосферных помех напрямую связан с грозовой активностью атмосферы.

Таким образом, помехозащищенность каналов передачи навигационных поправок в спутниковых системах посадки и навигационных данных в системах УВД с АЗН является наиболее «узким местом» указанных систем и в значительной мере определяет такие показатели надежности навигационного обеспечения ВС как доступность (готовность), мерой которой является вероятность работоспособности системы перед и в процессе выполнения той или иной задачи и непрерывность обслуживания, мерой которой является вероятность работоспособности системы в течение наиболее ответственных отрезков времени движения ВС (выполнения задачи) [3]. При этом в данном случае имеется ввиду нарушение работоспособности, связанное с помеховым воздействием на радиоканал, приводящее к сбоям в работе системы, своего рода восстанавливаемым отказам.

Анализ эффективности помехоустойчивого кодирования в каналах передачи данных с негауссовыми, в частности квазиимпульсными помехами, затруднен тем, что существующие методики ее оценки ориентированы на модель помехи в виде нормального (гауссова) шума [22, 23].

Известен ряд моделей, описывающих помехи в MB и ДКМВ диапазонах [24, 25].

Общий недостаток этих моделей - невозможность получения двумерного совместного распределения амплитуды и фазы помехи в аналитическом виде, которое необходимо для оценки эффективности помехоустойчивых кодов при наличии коррелированных ошибок в канала, в частности пакетов ошибок, характерных для каналов с негауссовыми квазиимпульсными помехами типа атмосферных и индустриальных.

Другим препятствием для исследования характеристик помехоустойчивых кодов в цифровых каналах передачи данных с квазиимпульсными радиопомехами служит громоздкость традиционных процедур стохастического моделирования [26], предполагающих знание по крайней мере двумерного совместного распределения амплитуды и фазы помехи и использование метода Монте - Карло.

В связи с этим в настоящей работе предложена процедура имитационного моделирования негауссовых квазиимпульсных помех на основе распределений длительности выбросов помехи и интервалов между ними, полученных в рамках логарифмически нормальной модели [27]. Упомянутая процедура моделирования непосредственно не требует знания двумерного совместного распределения амплитуды и фазы помехи и обеспечивает хорошее совпадение с экспериментальными данными, причем затраты машинного времени при моделировании практически эквивалентны случаю гауссовых помех.

Методы модуляции, кодирования, разделения речи и данных, которые могут быть использованы при передаче цифровой информации по авиационным каналам связи чрезвычайно разнообразны. В [28, 29], дан обширный обзор литературы по этому вопросу. В настоящей работе при исследовании помехоустойчивых кодов рассматривался только один метод модуляции - двоичная ФМ, характеристики которого традиционно служит эталоном при сравнении различных процедур обработки.

Характеристики различных методов модуляции и помехоустойчивого кодирования для гауссова канала связи известны [30, 31]. Методы обработки цифровых сигналов при воздействии негауссовых квазиимпульсных помех тоже [32]. В то же время, эффективность использования различных помехоустойчивых кодов и процедур перемежения двоичных символов в сообщении для случая квазиимпульсных помех типа атмосферных и индустриальных исследованы недостаточно. Поэтому исследование вопросов применения помехоустойчивых кодов, определение границ их эффективного применения при наличии негауссовых квазиимпульсных радиопомех является актуальной задачей для разработки высокоэффективных систем обмена данными по авиационным цифровым каналам радиосвязи.

Для оценки эффективности применяемых методов модуляции и помехоустойчивого кодирования, а также создания и эксплуатации цифровых систем передачи данных по каналам с непреднамеренными квазиимпульсными помехами важное значение имеет знание потенциальной пропускной способности, энергетической и частотной эффективности канала. Для га-уссового канала передачи информации эти характеристики были определены в работах [22, 23]. Методика, использованная в этих работах с небольшими изменениями может быть применена для численных расчетов указанных характеристик в рамках нормально-загрязненной модели [33] канала с квазиимпульсными помехами типа атмосферных и индустриальных. Полученные границы удельной пропускной способности канала, зависящие от степени импульсности и типа радиопомехи могут быть использованы для оценки эффективности помехоустойчивых кодов и процедур перемежения данных.

Помеховая обстановка, в которой приходится работать цифровым системам передачи данных на различных этапах полета (полеты по трассе, над неосвоенными и индустриально развитыми районами, полеты в сельской местности и маневрирование в зоне аэродрома), может сильно изменяться. Необходимо знать, как будут изменяться характеристики помехоустойчивости канала передачи данных с кодированием при изменении типа и импульсности помех при линейном и квазиоптимальном нелинейном приеме. Эти данные позволяют выбрать для определенного частотного диапазона подходящие методы кодирования, модуляции и обработки сигналов. Поэтому исследование характеристик помехоустойчивых кодов при линейном и нелинейном приеме в различной помеховой обстановке весьма актуально.

В работах [29, 30] показано, что в каналах с нестационарными гауссовыми и негауссовыми помехами при пакетировании ошибок, а также в каналах с межсимвольной интерференцией может оказаться полезной процедура переремежения данных на передающем конце и восстановления исходной последовательности данных на приемном (деперемежение). Поскольку для рассматриваемых каналов передачи данных с квазиимпульсными негауссовыми помехами характерен значительный процент выбросов, длительность которых превышает в два и более раз длительность одного канального символа [34], данные каналы можно отнести к каналам с пакетами ошибок, в связи с чем оценка эффективности различных процедур перемежения - деперемежения данных для них представляется актуальной.

Цель и задачи исследования. Целью работы является повышение достоверности передачи данных в спутниковых системах навигации и посадки и системах управления воздушным движением с автоматическим заи висимым наблюдением в условиях действия интенсивных индустриальных и атмосферных помех.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Определение требований к каналам передачи данных в системах навигации и посадки и управления воздушным движением с автоматическим зависимым наблюдением на основе спутниковой РНС.

2. Анализ возможности уменьшения позиционных ошибок местооп-ределения ВС при автоматической передаче навигационных данных с борта ВС в центр УВД за счет совершенствования системы синхронизации связного канала.

3. Анализ возможности улучшения характеристик канала передачи данных в комплексированных системах связи и навигации за счет навигационной поддержки системы синхронизации связного канала.

4. Теоретическое и экспериментальное обоснование выбора модели квазиимпульсных помех в авиационных каналах передачи данных MB и ДКМВ диапазонов и процедур их имитационного моделирования.

5. Оценка потенциальной пропускной способности, энергетической и частотной эффективности авиационных каналов передачи данных с негауссовыми квазиимпульсными помехами.

6. Анализ эффективности блочных и сверточных помехоустойчивых кодов и процедуры перемежения данных в условиях действия интенсивных индустриальных и атмосферных помех при корреляционной и квазиоптимальной обработке сигнала.

Методы исследований. В работе используются методы теории вероятностей, теории случайных процессов и статистических испытаний на ЭВМ.

Научная новизна работы. Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней впервые предложены методы улучшения характеристик канала передачи данных в комплексированных системах связи и навигации, основанные на совершенствовании системы синхронизации связного канала и его навигационной поддержке, а также с использованием аналитических моделей индустриальных и атмосферных помех и экспериментальных данных по ним методами имитационного моделирования произведен анализ эффективности использования помехоустойчивого кодирования для повышения достоверности передачи данных по MB и ДКМВ каналам в спутниковых системах навигации и посадки и системах управления воздушным движением с автоматическим зависимым наблюдением.

В диссертации получены следующие основные научные результаты:

1. Предложен метод уменьшения позиционных ошибок местоопре-деления ВС при автоматической передаче навигационных данных с борта ВС в центр УВД за счет совершенствования системы синхронизации связного канала.

2. Синтезирован квазиоптимальный алгоритм совместной обработки дискретно-непрерывной информации системы передачи данных и сигналов с выхода приемоиндикатора спутниковой РНС и методами стохастического моделирования на ЭВМ произведен сравнительный анализ точностных и динамических характеристик комплексированной и некомплексирован-ной систем.

3. Дана оценка потенциальной частотной и энергетической эффективности канала передачи данных в спутниковых системах навигации и посадки и системах УВД с автоматическим зависимым наблюдением.

4. Предложена методика имитационного моделирования квазиимпульсных помех типа индустриальных и атмосферных с использованием-логарифмически нормальной модели огибающей импульсной составляющей квазиимпульсной помехи.

5. На основе предложенной методики моделирования квазиимпульсных помех дана оценка эффективности блочных и сверточных кодов, а также процедур перемежения данных в MB и ДКМВ каналах передачи данных в спутниковых системах навигации и посадки и системах УВД с автоматическим зависимым наблюдением при корреляционной и квазиоптимальной обработке сигнала.

На защиту выносятся:

1. Метод уменьшения позиционных ошибок местоопределения ВС при автоматической передаче навигационных данных с борта ВС в центр УВД за счет совершенствования системы синхронизации связного канала.

2. Алгоритм совместной обработки навигационной информации и информации, передаваемой по каналу передачи данных в комплексированной системе связи и навигации, предназначенной для обеспечения полетов воздушных судов.

3. Теоретическое и экспериментальное обоснование применимости при моделировании MB и ДКМВ каналов передачи данных имитационной модели квазиимпульсных помех типа индустриальных и атмосферных, базирующейся на аналитическом описании вероятностных характеристик выбросов огибающей помехи и экспериментальных данных о степени им-пульсности помехи.

4. Результаты оценки потенциальной энергетической и частотной эффективности MB и ДКМВ каналов передачи данных в системах навигации и посадки и системах УВД с автоматическим зависимым наблюдением на основе спутниковой РНС.

5. Результаты сравнительного анализа эффективности различных помехоустойчивых кодов и процедур перемежения данных и рекомендации по построению кодеков в MB и ДКМВ каналах передачи данных спутниковых систем навигации, посадки и УВД с автоматическим зависимым наблюдением в условиях действия интенсивных индустриальных и атмосферных помех.

Практическая значимость работы состоит в том, что полученные в ней результаты позволяют:

- повысить достоверность передачи данных по MB и ДКМВ каналам в спутниковых системах навигации и посадки и системах управления воздушным движением с автоматическим зависимым наблюдением;

- улучшить точностные и динамические характеристики навигационного и связного каналов в комплексированных системах радионавигации и радиосвязи, используемых для обеспечения навигации и посадки воздушных судов и управления воздушным движением;

- повысить безопасность и регулярность полетов воздушных судов за счет уменьшения влияния индустриальных и атмосферных помех на качество функционирования систем навигации, посадки и управления воздушным движением.

Внедрение результатов. Основные результаты диссертационной работы внедрены в Московском конструкторсском бюро «Компас» и в МГТУ ГА, что подтверждено соответствующими актами.

Апробация результатов. Материалы диссертации докладывались на Международной конференции Сибирского авиакосмического салона «САКС-2002» (г.Красноярск, Сибирская аэрокосмическая академия, 2002 г.) и на Международной научно-технической конференции «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества» (г.Москва, МГТУ ГА, 2003г.).

Публикация результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в 6 статьях и 4 тезисах докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, че тырех глав, заключения, списка использованных источников и приложе' ния.

Заключение диссертации по теме «Навигация и управление воздушным движением», Андреев, Андрей Георгиевич

4.5. Выводы по главе 4

Данная глава посвящена, в основном, исследованию вопросов применения помехоустойчивого кодирования для повышения эффективности систем передачи информации в условиях действия квазиимпульсных атмосферных радиопомех, имеющих место в авиационных каналах связи ДКМВ диапазона (его длинноволновой части). Результаты исследований позволяют сделать следующие выводы.

1. Переход от корреляционнной обработки сигналов в приемнике к квазиоптимальной позволяет существенно увеличить помехоустойчивость передачи данных. При этом наибольший эффект достигается для случая атмосферных помех.

2. При квазиоптимальном приеме сигналов в авиационных каналах связи с квази импульсным и помехами при ограничении полосы частот избирательностью по соседнему каналу индустриальная радиопомеха является более опасной нежели атмосферная.

3. Как и при корреляционном приеме увеличение отношения сигнал/шум является неэффективным методом повышения помехоустойчивости систем передачи информации (СПИ). Энергетическая эффективность СПИ при этом снижается.

4. Использование помехоустойчивого кодирования данных позволяет существенно увеличить помехоустойчивость и эффективность квазиоптимальных СПИ, особенно в условиях действия атмосферных помех.

5. Особенностью использования блочных помехоустойчивых кодов при квазиоптимальном приеме, в отличие от использования их при корреляционном приеме, является то, что средние значения Ре, достаточные для получения положительного эффекта от кодирования, достигаются на выходе демодулятора при малых и средних значениях ОСШ. Это позволяет использовать не только длинные, но и средние помехоустойчивые блочные коды для получения требуемого уровня помехоустойчивости (Ре = 10"5) на выходе канала передачи данных.

6. Сверточное кодирование при декодировании по алгоритму Витер-би и мягком решении в демодуляторе позволяет получить в рассматриваемом канале для кодов с длиной кодового ограничения v > 2 вероятности ошибки на выходе декодера порядка 10"7 и менее при ОСШ менее 15 dB, что делает сверточное кодирование предпочтительнее блочного. Использование длинных сверточных кодов по помехоустойчивости приближается к системам с каскадным кодированием при высокой для каскадных систем скорости кодирования Rk = 0,5.

7. Эффективность процедур перемежения - деперемежения, влияние его закона и глубины на помехоустойчивость передачи при квазиоптимальном приеме заметно ниже, чем при корреляционном, в особенности для длинных блочных кодов. Однако необходимость в его использовании сохраняется при использовании коротких блочных или сверточных кодов.

8. Передача навигационной информации по цифровым каналам связи в ДКМВ диапазоне в условиях действия атмосферных помех может быть осуществлена при квазиоптимальном приеме сигналов при использовании как сверточного, так и блочного кодирования. При необходимости в этом канале может быть обеспечена вероятность ошибки в одном информационном символе от 10"5 до 10"9 в зависимости от используемого кода, глубины и закона перемежения при ОСШ не более 15 dB.

Научные результаты, полученные в главе 4, изложены в работах автора [80], [82].

Заключение

Диссертация содержит новое решение актуальной научной задачи повышения достоверности передачи данных в спутниковых системах навигации и посадки и системах управления воздушным движением с автоматическим зависимым наблюдением в условиях действия интенсивных индустриальных и атмосферных помех.

В результате проведенных исследований получены следующие основные научные результаты:

1. Предложен метод уменьшения позиционных ошибок местоопре-деления ВС при автоматической передаче навигационных данных с борта ВС в центр УВД,, основанный на оптимизации по быстродействию систем слежения за частотой и временной задержкой сигнала с предварительной их грубой синхронизацией.

2. Синтезирован алгоритм совместной обработки информации при комплексировании систем радиосвязи и радионавигации, позволяющий улучшить характеристики обеих комплексируемых систем.

3. Предложена методика имитационного моделирования квазиимпульсных помех типа индустриальных и атмосферных в каналах передачи данных систем навигации и посадки и систем управления воздушным движением с автоматическим зависимым наблюдением на основе СРНС, позволяющая легко сопрягать параметры модели с экспериментальными данными о помехах.

4. Дана оценка потенциальной частотной и энергетической эффективности канала передачи данных в системах навигации и посадки и системах УВД с автоматическим зависимым наблюдением в условиях действия индустриальных и атмосферных помех.

5. Дана оценка эффективности блочных и сверточных кодов в MB и ДКМВ каналах передачи данных с квазиимпульсными помехами систем навигации и посадки и систем УВД с автоматическим зависимым наблюдением при корреляционной и квазиоптимальной обработке сигналов.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. Одним из основных факторов, ограничивающих возможность передачи навигационных данных в системе УВД с автоматическим зависимым наблюдением по цифровому каналу связи, является конечное время его синхронизации, приводящее к появлению дополнительных позиционных ошибок местоопределения ВС. Использование предложения по усовершенствованию системы синхронизации связного канала позволяет при передаче данных со скоростью 600 бит/сек и выше практически полностью устранить влияние дополнительных позиционных ошибок.

2. Характеристики канала передачи данных в комплексированных системах радиосвязи и радионавигации, предназначенных для обеспечения навигации и посадки ВС и использования в системах УВД с автоматическим зависимым наблюдением, могут быть существенно улучшены за счет навигационной поддержки связного канала. Предложенный алгоритм совместной обработки информации в навигационном и связном каналах позволяет в несколько раз уменьшить вероятность ошибочного приема символов информационного сообщения, а также существенно улучшить точностные и динамические характеристики системы синхронизации связного канала.

3. Каналы передачи данных MB и ДКМВ диапазонов, используемые в спутниковых системах навигации и посадки ВС и системах УВД с автоматическим зависимым наблюдением, наиболее подвержены воздействию индустриальных и атмосферных помех, в связи с чем их помехозащищенность определяет, в основном, помехозащищенность указанных систем.

4. Воздействие на канал передачи данных индустриальных помех при линейном (корреляционном) приеме цифровых сигналов в MB диапазоне приводит к резкому снижению помехоустойчивости. При этом увеличение отношения сигнал/шум (ОСШ) неэффективно. Например, для случая параметра, характеризующего степень импульсности помехи Va — 5 dB и л вероятности ошибки на выходе демодулятора Ре = 2 • 10" проигрыш в энергетической эффективности канала Р составляет 17 dB.

5. Переход от линейной обработки сигналов в приемнике к квазиоптимальной (нелинейной с ограничением смеси) позволяет увеличить помехоустойчивость передачи данных, причем наибольший эффект достигается для случая атмосферных помех, характерных для длинноволновой части ДКМВ диапазона. Например, для атмосферной помехи с = 5 dB выигрыш составляет 9,3 dB при Ре=Ъ • 10"3. Как и при линейном приеме увеличение ОСШ в целях повышения помехоустойчивости оказывается неэффективным. При нелинейном приеме сигналов в авиационных каналах связи с квазиимпульсными помехами наиболее опасной помехой является индустриальная помеха, а при линейном - атмосферная.

6. Эффективным средством повышения помехоустойчивости цифровых систем передачи данных при линейном и нелинейном приеме сигналов в условиях действия квазиимпульсных помех является помехоустойчивое кодирование. При этом проигрыш в частотной эффективности ^компенсируется выигрышем в энергетической эффективности Д Например, применение простейшего сверточного кода (7,5) и использование процедур перемежения позволяет получить при проигрыше в у, равном 3 dB выигрыш в /?: - для индустриальной радиопомехи (Vd = 5 dB, Ре = 10"4, линейный прием) не менее 40 dB; для атмосферной помехи (Vd = 5 dB, Ре = 10~6, нелинейный прием) не менее 25 dB.

7. При линейном приеме использование блочных кодов для исправления ошибок в цифровых системах передачи данных по авиационным каналам связи с квазиимпульсными помехами нецелесообразно в силу низкой помехоустойчивости. Например, для индустриальной помехи с Vd = 5 dB использование блочного кода (73, 45, 10), эффективного для гауссовых помех, и процедур перемежения обеспечивает вероятность ошибки Ре - 5 • 10"5 при ОСШ 15 dB. Использование сверточного кода (171, 133), требующего приблизительно тех же затрат, при тех же условиях обеспечивает Ре = 1,6 • 10" . При нелинейном приеме для исправления ошибок могут быть использованы как сверточные, так и блочные коды, т.к. они легко обеспечивают требуемую вероятность ошибки Ре = 10"5.

8. Эффективность процедур перемежения оказывается наибольшей при линейном приеме и коротких блочных кодах. Например, для короткого кода (23, 12, 7) (индустриальная помеха, Vd = 5 dB, Ре-Ъ • 10", линейный прием) выигрыш составляет 9,9 dB при глубине перемежения т = 20. При переходе от линейного приема к нелинейному и от коротких кодов к длинным эффективность перемежения снижается. Например, для длинного кода (73, 45, 10) (атмосферная помеха, Vd—%dB,Pe = 10"6, нелинейный прием) выигрыш составил 0,3 dB при т = 20 символов.

9. При передаче данных по цифровым каналам MB диапазона в силу относительно невысокой испульсности помех для достижения вероятности ошибки в одном бите передаваемой информации 10"5 может быть использован как линейный, так и нелинейный прием. При этом при линейном приеме заданная помехоустойчивость может быть достигнута лишь при сверточном кодировании и перемежении данных (при ОСШ менее 15 dB). При нелинейном приеме могут быть использованы также и блочные коды.

10. При передаче данных по цифровым каналам ДКМВ диапазона вероятность ошибки 10"5 может быть получена лишь при нелинейном приеме с использованием помехоустойчивого кодирования и применением процедур перемежения данных (для коротких кодов).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Андреев, Андрей Георгиевич, 2003 год

1. Шебшаевич B.C., Дмитриев П.П., Иванцевич Н.В. и др. Сетевые спутниковые радионавигационные системы. М.: Радио и связь, 1993.

2. Ярлыков М.С., Чижов О.П. Субоптимальные алгоритмы приема к комплексной обработки квазикогерентных сигналов спутниковой радионавигационной системы. Радиотехника, 1996, № 1.

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

4. Соловьев Ю.А. Комплексирование глобальных спутниковых радионавигационных систем. Радиотехника, 1996, № 2.

5. Кинкулькин И.Е. Совмещенная аппаратура потребителей спутниковых радионавигационных систем. Радиотехника, 1996, № 2.

6. Кинкулькин И.Е., Рубцов В.Д., Фабрик М.А. Фазовый метод определения координат. М.: Советское радио, 1979.

7. Loh R., Nil Aileen S. Wide area augmentation system (WAAS). Design for growh in both national and international environments. DSNS-96, St. Petersburg, May 1996.

8. Steciv A., et al. Europe pursuing a broad multimodal satellite navigation programme as its contribution to GNSS. ICAOJ., 1997, v. 52, № 9.

9. Keiji Fukumoto, Kenji Abe. First of several japanese satellites designed for aeronautical use in scheduled for launch in 199. ICAOJ., 1997, v. 52, № 9.

10. Добавление В к "Проекту руководства по требуемым навигационным характеристикам для выполнения заходов на посадку, посадок и вылетов». Материалы AWOP/16-ДР/З, Монреаль, 23.6.97 4.7.97.

11. Российский радионавигационный план., версия 2. М.: НТЦ «Интернавигация», 1997.

12. RTCA/DO-17. Minimum aviation system performance standards DGNSS instrument approach system: Special Category I (SCAT-I), August, 1993.

13. Blomenhofer H., Mattissek A. The new DASA-NFS ground station family for use in civil aviation. Proc. of DSNS-96, Add. vol 1, St. Petersburg, May 1996, Paper № 17.

14. Differential GNSS for safe and accurate landings. Рекламный проспект фирмы DAS A, 1996.

15. Спутниковая система посадки. Рекламный проспект фирмы Honeywell, Honeywell Inc., 1997.

16. Edvard N. Skomal man-made noise in M/V frequency range. Microwave Jornal, 1975, № 10.

17. Edvard N. Skomal comparative radio noise levels of transmission lines, automative traffic and RF stabilized arc welders. IEEE Transactions on Electromagnetic Compartibility, 1967, v. EMC-9, № 2.

18. Распределение по Земному шару атмосферных помех и их характеристики. Документы X пленарной ассамблеи МККР. Отчет 322. М.: Связь, 1965.

19. Disney R.T., Spaulding A.D. Amplitude and time statistics of atmospheric and man-made radio noise. Report ERL-150-ITS-98. U.S. Department of Commerce, Wash., Febr. 1970.

20. Шелухин О.И., Беляков И.В. Негауссовские процессы. С.Петербург: Политехника, 1992.

21. Зюко А.Г., Коробков Ю.Ф. Теория передачи сигналов. М.: Связь,1972.

22. Величкин А.И., Азаров Г.С., Саютин Ю.В. Средства связи и системы передачи данных ВВС. М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1985.

23. Holl Н.М. A new model for impulsive phenomena, aplication to atmospheric noise communication chanels. Techn. Rep. № 3412-8 and 7050-7, Stanford, California, 1966.

24. Басалаев M.JT. Аппроксимация статистических свойств канала связи обобщенной степенной моделью. Радиотехника и электроника, 1983, т. XXYIII, № 11.

25. Бусленко Н.П. Метод статистического моделирования. М.: Статистика, 1970.

26. Рубцов В.Д. Выбросы огибающей атмосферного шума. Радиотехника и электроника, 1977, т. XXII, № 1.

27. Oetting J.D. A comparision of modulation techniques for digital radio. IEEE Transactions on Communications, 1989, v. Com.-27, № 12.

28. Золотник Б.М. Помехоустойчивые коды в системах связи. М.: Радио и связь, 1989.

29. Зюко А.Г., Фалько А.И., Панфилов И.П. и др. Помехоустойчивость и эффективность систем передачи информации. М.: Радио и связь, 1985.

30. Кларк Д., Кейн Д. Кодирование с исправлением ошибок в системах цифровой связи. М.: Радио и связь, 1987.

31. Антонов О.Е. Оптимальное обнаружение сигналов в негауссовых помехах. Обнаружение полностью известного сигнала. Радиотехника и электроника, 1967, т. XII, № 4.

32. Рубцов В.Д. Оптимизация приемного тракта в условиях атмосферного шума. Вопросы радиоэлектроники, серия ОТ, 1978, вып. 7.

33. Disney R.T., Spaulding A.D. Amplitude and time statistics of atmospheric and man-made radio noise. Report ERL-150, ITS-98, U.S. Department of commerce, Wash., Febr. 1970.

34. Основы технического проектирования систем связи через ИСЗ. Под ред. А.Д.Фортушенко. М.: Связь, 1970.

35. Логвин А.И., Небусев С.В. Квазикогерентный прием сигналов частотной манипуляции с непрерывной фазой. Межвузовский сборник научных трудов «Теория и техника радиолокации, радионавигации и радиосвязи в гражданской авиации». Рига: РКИИГА, 1983.

36. Петрищев В.И. Синтез оптимальной по быстродействию системы ФАПЧ первого порядка. В кн.: Труды учебных институтов связи, вып. 48. М.: МЭИС, 1970.

37. Фельдбаум А.А. Вопросы статистической теории системы автоматической оптимизации. В кн.: Труды первого конгресса ИФАК, т. 2. М.: АН СССР, 1962.

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

39. Тихонов В.И., Харисов В.Н., Смирнов В.А. Оптимальная фильтрация дискретно-непрерывных процессов. Радиотехника и электроника, 1978, т. XXIII, № 7.

40. Ярлыков М.С. Статистическая теория радионавигация. М.: Радио и связь, 1981.

41. Андреев А.Г. Позиционные ошибки местоопределения воздушного судна при автоматической передаче навигационных данных в центр управления воздушным движением. Научный вестник МГТУ ГА. Серия Радиофизика и радиотехника, 2003, №62.

42. Андреев А.Г. Улучшение характеристик канала передачи данных за счет навигационной поддержки в спутниковых системах навигации и управления воздушным движением. Научный вестник МГТУ ГА. Серия Радиофизика и радиотехника, 2003, № 62.

43. Spaulding A.D., Ahlbeck W.H., Espeland L.R. Urbun residental man-made radio noise analisis and predictions telecommunications reseach and engineering, Wash., Gov. print off. 1971. Rpt. 14, ITS.

44. Spaulding A.D., R.T.Disney. Man-made radio noise, p. 1, Wash. Cov. print off, 1974.

45. Spaulding A.D., Washburn J.S. Atmospheric radio noise: world-wide levels and other characteristics, Wash. Cov. print off, 1985.

46. Spaulding A.D., Roubique C.J. and Crichlow W.Q., Convertion of the amplitude probability distribution function for atmospheric radio noise from one bandwidth to anothe, J.Res. NBS, 1962, v. 66D, №> 6.

47. Beckman P. Amplitude-probability distribution of atmospheric radio noise. Radio Science, 1964, v. 68D, № 6.

48. Рубцов В.Д. Оптимизация приемного тракта в условиях квазиимпульсных помех. Известия вузов СССР. Радиоэлектроника, 1979, т. XXII, №4.

49. Бусленко Н.П. Метод статистического моделирования. М.: Статистика, 1970.

50. Рубцов В.Д., Зайцев А.Н. О применимости логарифмически нормальной модели для вероятностного описания квазиимпульных помех. Радиотехника и электроника, 1984, t.XXIX, № 8.

51. Huang G.C., Goldman R., Schulz R.B. Interference characteristics of streamer discharges. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 1970, v. 12, №2.

52. Сборник научных программ на Фортране. Вып. 2 / Пер. с англ. Под ред. С.Я.Виленкина. М.: Статистика, 1974.

53. Программирование, отладка и решение задач на ЭВМ единой серии. Язык Фортран. Под ред. И.А.Кудряшова. JL: Энергоатомиздат, 1983.

54. Тихонов В.И., Кульман Н.К. Нелинейная фильтрация и квазикогерентный прием сигналов. М.: Сов. радио, 1975.

55. Справочник по специальным функциям с формулами, графиками и математическими таблицами. Под ред. М.Абрамовица и И.Стиган ./ Пер. с англ. М.: Наука, 1979.

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

57. Шеннон К. Работы по теории информации и кибернетике. М.: ИЛ, 1963.

58. Окунев Ю.В. Передача цифровой. информации фазо-манипулированными сигналами. М.: Радио и связь, 1991.

59. Валеев В.Г., Сосулин Ю.Г. Многоканальный прием сигналов на фоне помех при негауссовых распределениях наблюдаемых данных. Известия АН СССР. Техническая кибернетика, 1970, № 2.

60. Modestino J.W. Adaptive detection of signals in impulsive noise envi-roments, IEEE Transactions on Communications, 1977,v. COM-25, № 9.

61. Rappaport S.S., Kurz L. An optimal nonlinear detector for digital data transmission through non gaussian chanels. IEEE Transactions on Communication Technology, 1966, v. COM - 14, № 3.

62. Spaulding A., Middlton D. Optimum reseption in an impulsive interference enviroment Part I: Coherent detection. IEEE Transactions on Communications, 1977, v. COM - 25, №. 9.

63. Spaulding A., Middlton D. Optimum Reseption in an Impulsive Interference Enviroment Part II: Incoherent detection. IEEE Transactions on Communications, 1977, v. COM-25, Лг° 9.

64. Рубцов В.Д., Зайцев A.H. О непараметрических свойствах фазового метода приема квазигармонического сигнала в условиях совместного действия аддитивных и мультипликативных помех. Радиотехника, 1986, № 6.

65. Копцев А.А. Анализ помехоустойчивости оптимального алгоритма приема сигналов в условиях действия импульсных помех. В кн.: Алгоритмы помехоустойчивого приема радиотехнических сигналов: Межвузовский сборник научных трудов. М.: МИРЭА, 1989.

66. Спилкер Дж. Цифровая спутниковая связь. М.: Связь, 1979.

67. Рубцов В.Д. Распределение мгновенных значений атмосферного шума при узкополосном приеме. Радиотехника и электроника, 1975, т. XX,ю.

68. Деч Г. Руководство к практическому применению преобразования Лапласа и Z-преобразования. М.: Наука, 1971.

69. Титчмарш Е. Введение в теорию интегралов Фурье. M.-JL: Гос-техиздат., 1948.

70. Калиткин Н.Н. Численные методы. М.: Наука, 1978.

71. Рубцов В.Д. О двумерной функции распределения фазы смеси сигнала с шумом. Радиотехника и электроника. 1969, т. XIY.

72. Андреев А.Г. Имитационное моделирование атмосферных и индустриальных помех в авиационных каналах связи. Вестник МГТУ ГА. Серия Радиофизика и радиотехника, 2003, № 61.

73. Андреев А.Г. Потенциальная эффективность систем передачи информации по каналам с квазиимпульсными помехами. Вестник МГТУ ГА. Серия Радиофизика и радиотехника, 2002, № 54.

74. Андреев А.Г. Анализ эффективности помехоустойчивого кодирования в каналах связи систем УВД с АЗН и посадки на основе СРНС при корреляционном приеме и квазиимпульсных помехах. Вестник МГТУ ГА. Серия Радиофизика и радиотехника, 2002, № 54.

75. Андреев А.Г. Анализ эффективности помехоустойчивого кодирования в каналах связи систем УВД с АЗН и посадки на основе СРНС приквазиоптимальном приеме и квазиимпульсных помехах. Вестник МГТУ ГА. Серия Радиофизика и радиотехника, 2003, №61.