Пути повышения эффективности радионавигационных систем дальней навигации наземного и космического базирования при их комплексном применении тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.14, кандидат технических наук Царев, Виктор Михайлович

• Царев, Виктор Михайлович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Царев, Виктор Михайлович

Введение.

1. Анализ состояния существующего парка систем дальней навигации и их систем контроля.

1.1 Импульсно-фазовая радионавигационная система «Чайка».

1.2 Спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС.

1.3.Общая характеристика зарубежных систем дальней радионавигации.

1.4 Уточнение требований по точности навигационных определений РСДН.

1.5 Основные направления развития и совершенствования радионавигационных систем дальней навигации.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Пути повышения эффективности радионавигационных систем дальней навигации наземного и космического базирования при их комплексном применении»

Актуальность темы. Отечественный и зарубежный опыт эксплуатации импульсно-фазовых радионавигационных систем (ИФРНС) дальнего действия наземного базирования - «Чайка» и «Loran-С» и спутниковых радионавигационных систем (СНС) - ГЛОНАСС и GPS показывает, что ни одна из них в отдельности не способна удовлетворить современные требования потребителей по точности, доступности, целостности и непрерывности навигационного обеспечения.

Анализ и оценка действий правительственных структур различных государств в области радионавигации, подтверждает вывод о том, что международное сообщество в ближайшем будущем не признает космические навигационные системы в качестве единственного средства навигации. Объявленные в конце 90-х годов стратегические цели администрации США -удовлетворить требования всех потребителей навигационно-временного обеспечения только с помощью системы GPS и до 2010 года вывести из эксплуатации все наземные радионавигационные системы, оказались невыполнимыми.

В настоящее время общепризнанно, что для выполнения требований потребителей по доступности, точности, целостности и непрерывности обслуживания, СНС нуждаются в дополнениях.

Проведенные в России й за рубежом исследования показывают, что импульсно-фазовые и фазовые РНС при проведении относительно недорогой модернизации аппаратуры опорных станций могут стать наиболее эффективными дополнениями КНС.

Важными преимуществами РНС «Чайка» (Россия) и «Loran-С» (США) являются:

- высокая помехоустойчивость за счет большой энергетики сигналов;

- надежное определение местоположения в городских условиях и лесистой местности вследствие существенно более низких, чем в КНС, рабочих частот (100 кГц - ИФРНС);

- возможность передачи оперативной информации (дифференциальных поправок и информации о целостности КНС, команд управления, штормовых предупреждений и других важных сообщений) без значимого ущерба для навигации и на значительные расстояния (до 1000 км от опорных станций (ОС) - в ИФРНС);

- автономность управления (на уровне одного государства);

- сравнительно низкие эксплуатационные расходы.

Дополнительными достоинствами ИФРНС являются:

- развитая инфраструктура систем данного класса - в настоящее время в мире функционирует 78 стационарных опорных станций ИФРНС в США и Канаде - 29 станций, в Европе - 8 станций, на побережье Средиземного моря - 4 станции, в Саудовской Аравии - 5 станций, в Индии - 6 станций, в Японии - 4 станции, в Корее - 2 станции, в Китае - 6 станций), на территории РФ и СНГ - 14 станций, кроме этого на территории РФ развернуты и функционируют более 20 мобильных опорных станций ИФРНС, объединенные в 7 цепей;

- возможность расширения рабочих зон действующих систем без дополнительного строительства новых станций за счет объединения действующих цепей, в том числе за счет создания международных цепей ИФРНС «Чайка /Loran-С»;

- привлекательность для бизнеса вследствие активного внедрения новых технологий в разрабатываемую передающую и приемную аппаратуру;

- возможность приема сигналов систем под водой и подо льдом на глубинах до 15 метров.

С появлением технологий, позволяющих опорным станциям ИФРНС передавать информацию за счет модуляции параметров собственных радионавигационных сигналов, широкое развитие получила концепция интегрированной радионавигационной системы (ИРНС), в основе которой лежит интеграция радионавигационных полей наземных и космических РНС.

В соответствии с этой концепцией все составные части ИРНС (навигационные космические аппараты (НКА) и другие компоненты КНС, опорные станции наземных РНС, контрольно-корректирующие станции (ККС), пункты мониторинга полей РНС и аппаратура потребителей) должны функционировать в единой системе координат и единой временной шкале. Опорные станции наземных РНС, помимо выполнения своих основных функций, должны вырабатывать и сообщать по радиоканалам корректирующие дифференциальные поправки и сообщения о целостности КНС.

Из изложенного выше можно сделать вывод об актуальности проведения исследований по теме диссертации, направленных на повышение эффективности средств дальней навигации посредством совершенствования способов совместной комплексной обработки навигационной информации на опорных станциях и в аппаратуре потребителей (АП).

Цель и задачи исследований. Целью работы является разработка методов и средств повышения эффективности радионавигационных систем дальней навигации (РСДН) за счет улучшения их точностных характеристик в условиях совместной обработки сигналов наземных систем и систем космического базирования. Для достижения поставленной цели необходимо было решение следующих задач:

1. Анализ существующих РСДН и уточнение предъявляемых к ним требований.

2. Формулирование основных направлений развития и совершенствования систем навигационно-временного обеспечения (НЕЮ) потребителей.

3. Разработка методики оценки эффективности функционирования РСДН в дифференциальном режиме.

4. Выработка предложений по комплексной обработке информации РСДН и спутниковой радионавигационной системы (СНС).

Методы исследований. При решении перечисленных выше задач в работе были использованы прикладные методы теории распространения радиоволн, теории случайных процессов и методы математического моделирования.

Научная новизна. Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней впервые проведен системный анализ путей сокращения систематической составляющей погрешностей РСДН и разработаны средства, обеспечивающие это сокращение.

В диссертации получены следующие основные результаты:

1. Проведен анализ современного состояния парка отечественных радионавигационных систем дальнего действия, включая глобальные среднеорбитные системы космического базирования, в результате которого сформулирован вывод об их доминирующей роли в навигационном обеспечении.

2. На основе проведенного анализа сделано заключение о невозможности удовлетворения современным требованиям потребителей по точности и надежности навигационного обеспечения при раздельном использовании этих систем.

3. Сформулирован вывод о необходимости одновременного, наряду с совершенствованием наземного сегмента интегрированной радионавигационной системы, создания бортовой комплексированной аппаратуры потребителей, обеспечивающей совместную обработку информации всех навигационных средств объекта.

4. В результате исследований источников возникновения погрешностей случайного и систематического характера определены пути их сокращения за счет применения перспективных способов интеграции систем космического и наземного базирования.

5. Разработана статистическая модель дифференциальных поправок РСДН, учитывающая случайный характер проводимости земной поверхности по трассам распространения радиоволн, позволяющая сформировать оптимальные дифференциальные поправки по всей зоне действия дифференциальной подсистемы РСДН.

6. Разработана методика оценки эффективности РСДН в дифференциальном режиме.

7. Разработаны частные методики оценки средних квадратических погрешностей (СКП) навигационных определений.

8. Обоснована эффективность применения комплексной первичной обработки сигналов импульсно-фазовых систем наземного базирования и спутниковых систем в авиационной аппаратуре потребителей с использованием информации от инерциальной системы объекта.

10. Сформулированы критерии количественной оценки эффективности внедрения новых перспективных режимов РСДН.

11. Разработана методика оценки эффективности радионавигационной системы дальней навигации в дифференциальном режиме.

12. Предложен перспективный способ достижения высокой точности навигационного поля РСДН в локальной области путем охвата цепочки ОС кольцом обратной связи, в котором роль датчиков информации о качестве навигационного поля выполняют контрольные пункты (КП), а управляющего элемента — пункт управления системой (ПУС).

13. Разработан квази-оптимальный алгоритм комплексной первичной обработки сигналов спутниковых и импульсно-фазовых РСДН.

На защиту выносятся:

1 .Статистическая модель декорреляции дифференциальных поправок в РСДН.

2.Методика оценки эффективности РСДН в дифференциальном режиме.

3.Частная методика оценки СКП, обусловленной воздействием помех в канале передачи дифференциальных поправок.

4.Квази-оптимальный алгоритм комплексной первичной обработки информации в авиационной аппаратуре потребителей.

Практическая значимость работы состоит в том, что полученные в ней результаты позволяют провести предварительную оценку погрешностей навигационных определений по сигналам РСДН и повысить точность абсолютного местоопределения подвижных объектов за счет применения дифференциального режимов РСДН, совместного применения РСДН наземного и космического базирования и комплексной обработки информации в бортовой аппаратуре потребителей.

Внедрение результатов. Результаты диссертационной работы внедрены в ОАО «Российский институт радионавигации и времени» (г. С-Петербург, Российская Федерация), в Центре дальней радионавигации (авиации ВС) и в ГОУ Московская академия рынка труда и информационных технологий, что подтверждено соответствующими актами.

Апробация результатов. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на международной научно - методической и научно -исследовательской конференции «МАДИ (ГТУ) - 75 лет», на Международной конференции Международной академии информатизации «Экологическая безопасность жизнедеятельности человека в 21 веке - проблемы и решения» и на конференции «Фундаментальное и прикладное координатно-временное обеспечение (КВО-2005)».

Публикация результатов. По теме исследований опубликовано 14 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованных источников, она изложена на 125 листах основного текста. Работа иллюстрирована 9 таблицами и 21 рисунком. Список литературы содержит 53 источника.

Заключение диссертации по теме «Радиолокация и радионавигация», Царев, Виктор Михайлович

5.5 Основные результаты и выводы

В главе 5 получены следующие основные результаты:

1. Эспериментальным путем определены погрешности измерений вектора навигационных параметров JIA (пространственных координат и их производных) по сигналам СНС и РСДН в стандартном и дифференциальном режимах.

2. Эспериментальным путем определены погрешности определения вектора навигационных параметров JIA при комплексной обработке информации от приемника СНС и от ИНС.

3. Эспериментальным путем определены погрешности определения вектора навигационных параметров JIA при комплексной обработке информации от приемника РСДН и от ИНС.

4. Обоснован выбор критериев оценки эффективности применения диференциальных режимов независимой работы СНС и РСДН и их совместного комплексирования автономным навигационным средством JLA -инециальной системой.

5. Произведены расчеты эффективности применения КОИ на борту ЛА в составе приемника СНС и ИС в стандартном и дифференциальном режимах СНС.

6. Произведены расчеты эффективности применения дифференциального режима РСДН.

Результаты, полученные в главе 5, позволяют сделать следующие выводы:

1. Экспериментально подтверждена высокая эффективность применения предлагаемых способов совершенствования режимов радионавигационных средств дальней навигации (СНС и РСДН), выразившееся в сокращении погрешностей определения текущего вектора навигационных параметров (пространственных координат и их производных), в частности, за счет применения:

- дифференциального режима СНС погрешности определения абсолютных пространственных координат ДА сокращены в 10-12 раз; дифференциального режима РСДН погрешности определения абсолютных плановых координат JIA сокращены в 6-7 раз.

2.Экпериментально подтверждена эффективность применения комплексной обработки информациий от автономной \навигационнй аппаратуры (инерциальной системы) и ее корректоров — приемников СНС, работающих как в стандатном, так и дифференциалшных режимах; так в стандартном режиме СНС погрешность определения плановых координат JIA сократилась на 22% при увеличении погрешности по высоте на 3% а погрешность определения составляющих вектора скорости сократилась на (28-73)%.

3. Эспериментально подтверждена высокая эффективность применения КОИ при пропадании сигналов СНС вследствии ее затенения элементами JIA при эволюциях или други причин, поскольку полученные значения Мэ не превосходят 0,10 м/с на интервалах отсутствия сигналов порядка бОсек, что говорит о сравнительно малом росте погрешности КОИ ( менее удвоенной СКП определения скорости в нормальном режиме) в определении составляющих вектора скорости в режиме «прогноза».

Заключение

Диссертация содержит новое решение актуальной научной задачи повышения эффективности РСДН посредством сокращения погрешности определения текущих навигационных параметров широкого класса подвижных объектов.

В процессе проведенных научных и экспериментальных исследований получены следующие результаты:

1. Проведен анализ современного состояния парка отечественных радионавигационных систем дальнего действия, включая глобальные среднеорбитные системы космического базирования.

2. По результатам анализа сделано заключение о невозможности удовлетворения современным требованиям потребителей по точности и надежности навигационного обеспечения при раздельном использовании этих систем.

3. Сформулирован вывод о необходимости комплексирования радионавигационных систем, наземного и космического базирования.

4. Разработана статистическая модель декорреляции ДП РСДН, учитывающая случайный характер проводимости земной поверхности по трассам распространения радиоволн.

5. Разработана методика оценки эффективности РСДН в дифференциальном режиме.

6. Разработаны частные методики оценки СКП навигационных определений, обусловленных воздействием помех в канале передачи дифференциальных поправок; нескомпенсированной погрешностью распространения радиосигналов и погрешностями измерений РНП на летательном аппарате.

7. Обоснована эффективность применения комплексной первичной обработки сигналов импульсно-фазовых систем наземного базирования и спутниковых систем в авиационной аппаратуре потребителей с использованием информации от инерциальной системы объекта.

8. Сформулированы критерии количественной оценки эффективности применения предложенных режимов РСДН.

9. Разработана методика оценки эффективности радионавигационной системы дальней навигации в дифференциальном режиме.

10. Предложен перспективный способ достижения высокой точности навигационного поля РСДН в локальной области путем охвата цепочки ОС кольцом обратной связи, в котором роль датчиков информации о качестве навигационного поля выполняют КП, а управляющего элемента — ПУС.

11. Разработан квази-оптимальный алгоритм комплексной первичной обработки сигналов спутниковых и импульсно-фазовых РСДН и информации от инерциальной системы объекта.

12. Подтверждена теоретическими и экспериментальными исследованиями высокая эффективность использования предложенных способов совершенствования радионавигационных средств.

13. В дифференциальном режиме СНС погрешности определения абсолютных пространственных координат JIA сокращены в 10-12 раз.

14. В дифференциальном режиме РСДН погрешности определения абсолютных плановых координат ЛА сокращены в 6-7 раз.

15. В результате применения комплексной обработки информации от автономной навигационной аппаратуры и ее корректоров -приемников СНС погрешность определения плановых координат ЛА (в стандартном режиме приемника СНС) сократилась на 22% при увеличении погрешности по высоте на 3% а погрешность определения составляющих вектора скорости сократилась на (28-73)%.

16. Высокая эффективность применения КОИ при пропадании сигналов СНС JIA подтверждается тем, что экспериментально полученные значения коэффициента эффективности Мэ не превосходят 0,10 м/с, что свидетельствует о сравнительно малом росте погрешности в определении составляющих вектора скорости КОИ в режиме «прогноза» на интервалах отсутствия сигналов порядка бОсек.

17. Результаты диссертационной работы внедрены в ОАО «Российский институт радионавигации и времени» (г. С-Петербург, Российская Федерация), в Центре дальней радионавигации (авиации ВС) и в ГОУ Московская академия рынка труда и информационных технологий, что подтверждено соответствующими актами.

На основании полученных результатов решена научная задача по повышению эффективности систем и средств координатно-временного обеспечения, точности и надежности местоопределения радионавигационных систем дальнего действия, имеющая существенное значение для развития отечественных систем и средств радионавигации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Царев, Виктор Михайлович, 2005 год

1. Корнуков A.M. Контртеррористическая операция на Северном Кавказе: основные уроки и выводы. Военная мысль, №4, 2000г.

2. Радиотехнические системы дальней навигации. Под ред. Резниченко JT.B. М., Воениздат, 1975г.

3. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ. Москва, 1995.

4. Bartenev V.A., Cheremisin V.F., et al. Russia's Global Navigation Satellite System. ANSER, 1995.

5. Ivanov N., Salischev V., Vinogradov A. Ways of GLONASS System

6. Современное состояние и тенденции развития зарубежных средств и систем навигации подвижных объектов военного и гражданского назначения. ГУНиО, СПб, 1994.

7. В.Е. Соколов, Б.Н. Балясников, С.Б. Писарев. Концепция развития и дальнейшего совершенствования местоопределения с помощью импульсно-фазовой радионавигационной системы "Чайка". Радионавигация и время, N 1,2, 1995.

8. В.Е. Соколов и др. Современная унифицированная модульная радионавигационная станция "Чайка-УМ". Радионавигация и время, N 3, 1995.

9. В.Е. Соколов и др. Основные положения концепции глобальной системы мониторинга радионавигационных полей (часть 1). Радионавигация и время, N 3, 1995.

10. Соглашение между Правительством России и Правительством Норвегии по созданию объединенной радионавигационной службы в Баренцевом море с использованием станций "Чайка" и "Лоран-С" от 08.03.95г.

11. W.J.Thrall, D.H.Alsip, A.N.Mason. The Need for an international Coordinator for the Loran-С System. XHI-th conf.of the IALA, 1994r., Honolulu, Hawaii.

12. S.G.R. Ruttle. Ireland Chooses Loran-C. XHI-th conf. of the IALA, 1994r., Honolulu, Hawaii.

13. Рождественский А. В., Цесельский И.О., Креславский А. С. Принципы построения системы передачи служебной дискретной информации по радиоканалам ИФРНС "Чайка". ВРЭ серия ОВР. Вып.4, 1991.

14. Рождественский А. В. Оценка помехоустойчивости системы передачи служебной информации по радиоканалам ИФРНС "Чайка" при работе наземных станций в совмещенном режиме. ВРЭ, серия ОВР, 1991.

15. Коржик В.И., Финк JI.M., Щелкунов К.К. Расчет помехоустойчиости систем передачи дискретных сообщений. Справочник, Москва, Радио и связь, 1981.

16. Коржик В.И., Наумов А.С., Лесман M.JI. Разработка системы передачи дискретной информации для импульсно-фазовых радионавигационных систем. Рабочие материалы по первому и второму этапу НИР №136-90-012., СПГТУ им. проф. Бонч-Бруевича, СПБ 1993.

17. Николаев В.И., Брук В.М. Системотехника: методы и приложение. Л., Машиностроение, 1985г.

18. Макаров Г.И., Новиков В.В., Рыбачек С.Т. Распространение электромагнитных волн над земной поверхностью. М.: Наука, 1991 г.

19. Бабайкин Б.Ф., Фельдман В.М. и др. ВСРЭ, РИТ, вып. 2, 1978г.

20. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. М., Радио и связь, 1982г.

21. Альперт Я.А., Гинзбург В.А., Фейнберг Е.Л. Распространение радиоволн. М., Госиздат, технико-теоретической литературы, 1953г.

22. Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов. М., Радио и связь, 1983г.

23. Тихонов В.И., Миронов М.А.,Марковские процессы. М.,Сов.радио, 1977г.

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

25. Шебшаевич B.C. Использование спутниковой РНС "Navstar" длясинхронизации шкал времени. М., "Зарубежная радиоэлектроника", № 11, 1985г.

26. Боровиц JI.A. Навигационная система "Loran-C" с непосредственным измерением расстояния. М., "Зарубежная радиоэлектроника", № 3, 1971 г.

27. Балясников Б.Н. Синхронизация шкал времени системы "Loran-C" и "Navstar" этап создания единой системы координатно-временного обеспечения. М., "Зарубежная радиоэлектроника", № 8, 1991г.

28. Кудрявцев И.В. и др. Бортовые устройства спутниковой радионавигации. М., Транспорт, 1968 г.

29. Палий А.И. Радиоэлектронная борьба. М., Военное издательство, 1989г.

30. Пестряков В.В. Шумоподобные сигналы в системах передачи информации. М., Сов. радио, 1973г.

31. Ярлыков М.С. Статистическая теория радионавигации. М., Радио и связь, 1983г.

32. Сосновский А.А. Авиационная радиолокация. М., Транспорт, 1990г.

33. Волошин С.В. Радионавигационные системы СДВ диапазона. М., Радио и связь, 1983г.

34. Ярлыков М.С. Применение марковской теории нелинейной фильтрации в радиотехнике. М., Сов. радио, 1980г.

35. Стратонович P.J1. Условные марковские процессы и их применение к теории оптимального управления. М., МГУ, 1966г.

36. Стратонович P.JI. Теория вероятности и ее применение, т. 5, № 2, 1960г.

37. Тихонов В.И., Харисов В.Н. Оптимальная фильтрация дискретно-непрерывных процессов. "Радиотехника и электроника", 1978г.

38. Вальд А. Последовательный анализ. Физматгиз.М., 1960г.

39. Царев В.М., Писарев С.Б. и др. Передача информации оповещения о чрезвычайных ситуациях с использованием радионавигационных систем сверхдлинноволнового и длинноволнового диапазонов (статья). Москва, журнал «Наукоемкие технологии №2, 2000г.

40. Царев В.М., Жолнеров B.C. и др. Уязвимость спутниковых систем при воздействии непреднамеренных и преднамеренных помех и перспективы повышения надежности координатно-временного обеспечения. Москва, журнал «Новости навигации» №1, Москва, 2004г.

41. Царев В.М., Жолнеров B.C., Соловьев Ю.А. и др. Проблемы разработки новой редакции Российского навигационного Плана (статья). Москва, журнал «Новости навигации» №1, Москва, 2004г.

42. Царев В.М., Донченко С.И. и др. Комплекс средств измерений для испытаний аппаратуры потребителей космических навигационных систем ГЛОНАСС и GPS (статья). Москва, журнал «Новости навигации» №2, 2004г.

43. Царев В.М., Соловьев Ю.А. Использование ИФРНС для реализации дифференциального режима спутниковой навигации (статья). Москва, журнал «Новости навигации» №2, Москва, 2004г.

44. Царев В.М., Копелович В.А., Харин Е.Г. и Якушев А.Ф. Методы и средства летных испытаний летательных аппаратов и их оборудования (статья). Журнал «Новости навигации» №1, Москва, 2005г.

45. Научно-технический отчет по ОКР «Метрика КВО». Москва, ЦУП-М ЦНИИмаш, 2002г.

46. Царев В.М.Доклад на международной научно методической и научно-исследовательской конференции «МАДИ (ГТУ) - 75 лет», Москва 2005г.

47. Царев В.М. Международные транспортные магистрали и вопросы экологии. Доклад на Международной конференции Международной академии информатизации «Экологическая безопасность жизнедеятельности человека в 21 веке проблемы и решения», Москва 2005г.

48. Царев В. М., Соловьев Ю. А., Жолнеров В. С. «Проблема разработки новой редакции Российского радионавигационного плана» Стендовый доклад на конференции «Фундаментальное и прикладное координатно-временное обеспечение (КВО-2005)». СПБ, ИПА РАН.

49. Рождественский А. В., Цесельский И.О., Креславский А. С. Принципы построения системы передачи служебной дискретной информации по радиоканалам ИФРНС "Чайка". ВРЭ серия ОВР. Вып.4, 1991.

50. Чуев Ю.В., Мельников П.М. и др. "Основы исследования операций в военной технике". М.,«Сов. радио», 1965г.

51. Акоф Р., Сасненн М. Основы исследования операций. Пер. с англ. М., «Мир», 1971г.