Улучшение точностных и надежностных характеристик аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем в высоких широтах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.13, кандидат технических наук Аполлонов, Александр Алексеевич

• Аполлонов, Александр Алексеевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Аполлонов, Александр Алексеевич

Введение.

1. АНАЛИЗ ТОЧНОСТНЫХ И НАДЕЖНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АППАРАТУРЫ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ СРНС ПРИ РАБОТЕ В ВЫСОКИХ ШИРОТАХ

1.1. Требования, предъявляемые к навигационному обеспечению воздушного судна при решении задач полета в аэродромной зоне, взлета, захода на посадку и посадки.

1.2. Точностные и надежностные характеристики АП СРНС при полной и усеченной орбитальной группировке НКА СРНС ГЛОНАСС в высоких широтах.

1.3. Дифференциальный режим и контроль целостности СРНС.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Улучшение точностных и надежностных характеристик аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем в высоких широтах»

Актуальность работы. Спутниковые радионавигационные системы (СРНС) типа ГЛОНАСС (РФ) [1] и GPS (США) позволяют, в принципе, решать практически все навигационные задачи, возникающие при эксплуатации воздушных судов (ВС) гражданской авиации (ГА) [18].

Тем не менее, при использовании аппаратуры потребителей (АП) СРНС существуют навигационные задачи (НЗ), требующие не только высокой точности определения навигационных параметров объекта, но и обеспечения более высоких показателей доступности и непрерывности навигационных определений (НО), чем те, которые предоставляют орбитальные группировки ГЛОНАСС и GPS. Особенно остро такие требования предъявляются в высоких широтах (выше 65°00' 00" с.ш.), где радиовидимость навигационных космических аппаратов (НКА) СРНС имеет низкий показатель доступности, а также велико влияние высокоширотной ионосферы на рассеивание радиоволн [24,33].

В работе рассматривается только СРНС ГЛОНАСС вследствие следующих факторов [34]:

1. Указ Президента РФ от 18.05.07 "Об использовании глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС в интересах социально-экономического развития РФ".

2. Выступление 17 сентября 2008 президента Российской Федерации на заседании Совета Безопасности «О защите национальных интересов России в Арктике».

3. Основы государственной политики Российской Федерации в Арктике на период до 2020 года и дальнейшую перспективу. Утверждены 18 сентября 2008 Президентом РФ.

Также правительством США неоднократно было объявлено о возможном восстановлении режима селективного доступа (Selective

Availability - SA) в CPHC GPS на время проведения военных действий или для определенных районов Земли.

Так как в режиме селективного доступа точность навигационных определений (2СКО) при использовании CPHC GPS составляет порядка 100.200 метров и в связи с указаниями Президента РФ о модернизации СРНС ГЛОНАСС и освоении арктических территорий в работе глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС [11,14] рассматривается как единственное средство спутниковой навигации.

На рис. 1, 2, 3, 4 и 5 показаны значения позиционного геометрического фактора (ГФ) по земной поверхности [35], отображающего во сколько раз радиальная ошибка местоопределения превышает ошибку определения псевдодальности (ПД) до НКА СРНС ГЛОНАСС для 5 дней в 2009 году (показатель минимального угла места НКА > 5°): 30 сентября, 8, 14, 15 и 21 декабря.

Время: 15:49:42 30.09.2009 ( декретное Московское время )

-180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Геометрический фактор:

1 2 3 4 5 6 >6

Долгота

-180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20

20 40 60 80 100 120 140 160 180

-180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Долгота

Геометрический фактор: 6

V©

-180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20

120 140

160 180 90

-180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Долгота

Геометрический фактор: 6

Долгота

Геометрический фактор:

1 2 3 4 5 6 >6

-90 -180

-160 -140 -120 -100 -80 -60

Долгота ю

Геометрический фактор: 6

Проанализировав данные, приведенные на рис. 1, 2, 3, 4 и 5, можно сделать вывод, что в высоких широтах имеет место возникновение плохой навигационной обстановки, когда значения позиционного геометрического фактора будут > 6.

С учетом того, что безопасность полетов ВС в значительной степени зависит от надежности и точности навигационной информации, необходимо создавать функциональные дополнения СРНС для повышения этих показателей. Задача может быть решена при использовании некоего наземного дополнения, работающего совместно с космическим сегментом системы. В качестве одного из вариантов такого дополнения могут рассматриваться псевдоспутники (ПС).

Под псевдоспутником подразумевают радиотехническое устройство с наземным базированием, сигнал которого должен быть синхронизован с сигналами СРНС ГЛОНАСС (далее по тексту «СРНС»), а параметры сигнала и его формат близки к параметрам и формату сигналов СРНС [3].

Радиус действия псевдоспутников невелик (от 1 до 50 км), а геометрические особенности их расположения (в плоскости горизонта) не позволяют эффективно определять третью координату (высоту) при использовании навигации только по сигналам псевдоспутника, поэтому для обеспечения навигации ВС целесообразно комплексирование ПС с космическим сектором СРНС. При этом обеспечение навигационного поля в высоких широтах является наиболее привлекательной сферой применения систем на базе псевдоспутников. В этом случае посредством размещения псевдоспутников в стационарных точках возможно обеспечить оптимальную геометрию излучателей и, соответственно, стабильное навигационное обеспечение пользователей.

Нетрудно заметить, что подобная архитектура навигационных сервисов существенно отличается от локальных, региональных или широкозонных дифференциальных подсистем. Если использование последних возможно только в случае стабильного приема сигналов ГЛОНАСС, то с помощью псевдоспутников теоретически можно обеспечить относительную навигацию даже в отсутствие сигналов от НКА.

В настоящей работе рассматриваются требования к следующим характеристикам АП СРНС:

1) точностные характеристики:

- навигационные геодезические параметры: широта (В), долгота (Ь) и высота (Н);

- общий геометрический фактор изменения точности (ОБОР), а также геометрические факторы при определении места в пространстве (РБОР), в горизонтальной плоскости (НБОР) и вертикальной плоскости (УБОР).

2) надежностные характеристики:

- доступность (готовность), мерой которой является вероятность работоспособности СРНС перед выполнением той или иной НЗ или в процессе ее выполнения;

- целостность, мерой которой является вероятность выявления отказа в течение времени, не превышающего заданное;

- непрерывность обслуживания, мерой которой служит вероятность работоспособности системы в течение наиболее ответственных отрезков времени выполнения НЗ.

Рассматриваются вопросы расширения функциональных возможностей СРНС, в частности обеспечения решения задач посадки ВС в высоких широтах на необорудованные площадки. При решении этих задач, в первую очередь, необходим сравнительный анализ точностных и надежностных показателей НО, перспективных с точки зрения применимости их для обеспечения посадки ВС в высоких широтах. Кроме того, необходим анализ факторов, влияющих на точность местоопределения ВС при полетах в высоких широтах. При этом особый интерес представляет рассмотрение и совершенствование относительных НО, которые обладают тем преимуществом перед обычными дифференциальными НО, что не требуют геодезической привязки контрольной станции и следовательно применимы для обеспечения посадки ВС на необорудованные площадки типа льдины или палубы корабля.

Помимо решения навигационных задач, связанных с грузопассажирскими перевозками в высоких широтах, осуществляемыми ВС гражданской авиации, система навигации на базе ПС и НКА СРНС открывает широкие перспективы в проведении специальных работ с применением авиации, связанных с необходимостью высокоточного местоопределения подвижных объектов. Сюда относятся, в частности, задачи поиска и спасения терпящих бедствие, ледовой разведки, топогеодезии и др.

Рассмотрению круга перечисленных вопросов и посвящена диссертационная работа, что определяет актуальность проводимых в ней исследований.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка рекомендаций по улучшению точностных и надежностных характеристик АП СРНС в высоких широтах при комплексной обработке сигналов СРНС, локальной дифференциальной системы и псевдоспутников для решения задач посадки ВС и проведения специальных работ, связанных с необходимостью высокоточного определения координат.

Для достижения поставленной цели необходимо было решение следующих задач:

• анализ существующих требований категорированной посадки воздушных судов и оценка точностных и надежностных характеристик аппаратуры потребителей СРНС в высоких широтах;

• анализ факторов, воздействующих на распространение радиосигналов СРНС и ее функциональных дополнений в высоких широтах;

• разработка рекомендаций по использованию космического и наземного сегментов комплексированной навигационной системы для обеспечения посадки ВС в высоких широтах.

Методы исследований. При решении перечисленных задач были использованы прикладные методы теории вероятностей и теории случайных процессов, методы теории оптимального оценивания, а также методы математического моделирования.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней впервые предложены пути улучшения точностных и надежностных показателей АП СРНС в высоких широтах при использовании навигационной системы с космическим и наземным базированием излучателей.

В диссертации получены следующие основные результаты:

• произведена сравнительная оценка показателей точностных и надежностных характеристик аппаратуры потребителей СРНС при ее эксплуатации в высоких широтах;

• произведен системный анализ помеховой обстановки и условий распространения радиосигналов СРНС и ее функциональных дополнений в высоких широтах;

• разработаны рекомендации по построению и эксплуатации навигационной системы с космическим и наземным базированием излучателей;

• разработаны рекомендации по улучшению точностных и надежностных показателей аппаратуры потребителей СРНС в высоких широтах.

На защиту выносятся:

• результаты анализа влияния совместного использования излучателей с космическим и наземным базированием на точностные и надежностные характеристики аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем при работе в высоких широтах;

• рекомендации по построению комплексированной навигационной системы с космическим и наземным базированием излучателей в высоких широтах.

Практическая значимость диссертационной работы состоит в том, что предложенный способ улучшения точностных и надежностных характеристик АП СРНС в высоких широтах на основе использования НКА и псевдоспутников позволяет:

• улучшить точностные и надежностные характеристики АП СРНС в высоких широтах;

• производить посадку ВС ГА в высоких широтах на аэродромы, не оснащенные высокоточными системами посадки, и на необорудованные площадки типа льдины и палубы корабля;

• обеспечивать требуемый уровень безопасности проведения полетов ВС ГА и выполнение специальных задач в высоких широтах.

Апробация результатов. Основные научные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Международных научно-технических конференциях "Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества" (М., 2006 г., 2008 г.) и «Цифровая обработка сигналов и ее применение» (РНТОРЭС, М., 2008 г.).

Публикация результатов. Основные научные результаты диссертации опубликованы в 4-х статьях и 4-х тезисах докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованных источников. Диссертация содержит 107 страниц текста, 31 рисунок, 12 таблиц и библиографию из 36 наименований.

Заключение диссертации по теме «Навигация и управление воздушным движением», Аполлонов, Александр Алексеевич

Основные результаты, полученные в третьей главе, состоят в следующем:

1. Разработана математическая модель реализации навигационной системы на базе псевдоспутников, позволяющая проводить оценку точностных и надежностных характеристик АП СРНС при работе в автономном и совместном с СРНС ГЛОНАСС режимах в высоких широтах.

2. Проведен сравнительный анализ способов обеспечения электромагнитной совместимости НКА и ПС комплексированной навигационной системы и выработаны рекомендации по рациональному решению проблемы динамического диапазона.

3. Рассмотрены пути комплексирования спутниковой радионавигационной системы с псевдоспутниками, дифференциальными подсистемами и радиовысотомерами для обеспечения требуемой точности определения навигационных параметров при проведении специальных задач в высоких широтах.

На основании результатов, полученных в третьей главе, можно сделать следующие выводы:

1. При использовании в высоких широтах комплексированной системы навигации на базе псевдоспутников и СРНС ГЛОНАСС точностные и надежностные характеристики аппаратуры потребителей СРНС удовлетворяют требуемым

2. При использовании в высоких широтах системы навигации на базе псевдоспутников в совместном с СРНС ГЛОНАСС режиме крайне важно решить проблему динамического диапазона для обеспечения стабильного функционирования аппаратуры потребителей СРНС.

3. Комплексирование СРНС с псевдоспутниками, дифференциальными подсистемами и радиовысотомерами обеспечивают требуемые точности определения навигационных параметров для проведения специальных работ с применением воздушных судов гражданской авиации в высоких широтах.

Заключение

Диссертация направлена на решение актуальной научно-технической задачи улучшения точностных и надежностных характеристик АП СРНС при проведении полетов воздушных судов гражданской авиации в высоких широтах и обеспечения операций захода на посадку, посадки и взлета в соответствии с требуемыми навигационными характеристиками.

В работе получены следующие основные научные результаты:

1. Разработана математическая модель оценки точностных и надежностных характеристик аппаратуры потребителей СРНС при неполной и полной группировках рабочего созвездия навигационных космических аппаратов ГЛОНАСС при проведении полетов воздушных судов гражданской авиации в высоких широтах на соответствие требованиям 1ШР.

2. Разработаны математические модели узкополосных помех, действующих в канале передачи дифференциальных поправок, и широкополосных помех, воздействующих на приемный тракт аппаратуры потребителей СРНС. Проведена оценка точностных и надежностных характеристик аппаратуры потребителей СРНС при проведении полетов воздушных судов гражданской авиации в высоких широтах в условиях воздействия мешающих факторов.

3. Предложена реализация комплексированной системы навигации на базе навигационных космических аппаратов ГЛОНАСС и псевдоспутников, предназначенной для работы в высоких широтах, и даны рекомендации по обеспечению электромагнитной совместимости космического и наземного сегментов системы.

4. Разработана математическая модель оценки точностных и надежностных характеристик аппаратуры потребителей СРНС в высоких широтах при использовании псевдоспутников и дана оценка на соответствие требованиям БШР.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. Традиционные методы повышения точности навигационных определений путем использования дифференциального режима работы АП СРНС не обеспечивают заданных в КИР показателей точностных и надежностных характеристик АП СРНС в высоких широтах.

2. Использование в высоких широтах функционального дополнения СРНС на основе псевдоспутников позволяет улучшить точностные и надежностные характеристики АП СРНС и повысить безопасность полетов воздушных судов гражданской авиации.

3. Разработанные модели основных помех АП СРНС и каналу передачи дифференциальных поправок позволяют с помощью полу натурных испытаний оценивать помехоустойчивость АП СРНС и ее функциональных дополнений.

4. Разработанная модель использования в высоких широтах функционального дополнения СРНС на основе псевдоспутников позволяет обеспечивать электромагнитную совместимость и синхронизацию космического сегмента СРНС и наземного сегмента навигационной системы на основе псевдоспутников.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Аполлонов, Александр Алексеевич, 2009 год

1. Ю.А. Соловьев. Спутниковая навигация и ее приложения. М.: Эко-Трендз, 2003.

2. Горбачев O.A. Влияние высокоширотной ионосферы на рассеивание сигналов СРНС. // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Радиофизика и радиотехника, №117, 2007.

3. Псевдоспутники в локальных системах расширения функциональных возможностей СРНС. Выпуск №27. РИРВ. С.-П., 2002г.

4. Горбачев O.A., Иванов В.Б., Рябков П.В. О возможности применения одночастотных приемников GPS для диагностики ионосферы. // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Радиофизика и радиотехника, №107, 2006.

5. A. Jovancevic, N. Bhatia, J. Noronha, В. Sirpatil, M. Kirchner, D. Saxena. Piercing the Veil. Tests of a Flexible Pseudolite-Based Navigation System. GPS World. Mar, 2007.

6. Аполлонов A.A., Баранов Э.В. Математическая модель генератора широкополосной помехи для имитации помеховой обстановки при решении навигационных задач с использованием аппаратуры потребителей СРНС. Научный вестник МГТУ ГА №139, 2008 г.

7. Соловьев Ю.А. Точность определения относительных координат и синхронизации шкал времени объектов при использовании спутниковых радионавигационных систем //Радиотехника, ИПРЖР, 1998, №9.

8. Аполлонов A.A., Баранов Э.В. Формирование радиопомех с изменяющейся частотой для имитации помеховой обстановки при дифференциальных методах навигационных определений в аппаратуре потребителей СРНС. Научный вестник МГТУ ГА №139, 2008 г.

9. Аполлонов A.A. Повышение надежности взаимодействия спутниковых радионавигационных систем и систем на базе псевдоспутников в высоких широтах. Научный вестник МГТУ ГА №150, 2009 г.

10. Аполлонов A.A. Улучшение точностных и надежностных характеристик аппаратуры потребителей в высоких широтах при использовании псевдоспутников. Научный вестник МГТУ ГА №158, 2010 г.

11. Харисов В.Н., Перов А.И., Болдин В.А. и др. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС. М.:ИПРЖР, 1999. - 560 с.

12. Шебшаевич B.C., Дмитриев П.П., Иванцевич Н.В. и др. Сетевые спутниковые радионавигационные системы. М.: Радио и связью, 1982.

13. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования. Под редакцией А.И. Петрова, В.Н. Харисова/«Радиотехника», М., 2005.

14. Рубцов В.Д. Распределение мгновенных значений атмосферного шума при узкополосном приеме. Радиотехника и электроника, 1975. XX, №10.

15. Рубцов В.Д. Статистические характеристики смеси атмосферного шума при узкополосном приеме. Радиотехника и электроника. 1976. ХЗ1, №8.

16. Карюкин Г.Е. Расширение функциональных возможностей спутниковых радионавигационных систем путем совершенствования методов навигационных определений. Диссертация на соискание учетной степени кандидата технических наук. М.,2006.

17. Ван Дайк К. Использование спутниковых радионавигационных систем для обеспечения требуемого уровня характеристик глобальнойнавигационной спутниковой системы//Радиотехника. Радиосистемы. Радионавигационные системы и комплексы, 1996, №1, стр. 77-82.

18. Горбачев O.A. Навигационное обеспечение воздушных судов гражданской авиации в условиях возмущенной ионосферы. Диссертация на соискание учетной степени доктора технических наук. М., 2009.

19. Ярлыков М.С., Кудинов А.Т. Повышение качества функционирования спутниковых радионавигационных систем за счет информационной избыточности//Радиотехника, 1998, №2.

20. Ярлыков М.С., Базаров A.A., Салямех С.С. Помехоустойчивый навигационно-посадочный комплекс на основе спутниковой радионавигационной системы/ТРадиотехника, 1996, №12.

21. Brown A. Integrity Monitoring of GPS Using a Barometric Altimeter, RTCA Paper №405-87, SC-159-117.

22. Распределение по Земному шару атмосферных помех и их характеристик. Документы X пленарной ассамблеи МККР. Отчет 322. М: Связь, 1965.- 80 с.

23. Соловьев Ю.А. Комплексирование глобальных спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС и GPS с другими навигационными измерителями//Радиотехника, 1999, №1.

24. Варакин Л.Е. Теория сложных сигналов. М., изд-во "Советское радио", 1970.

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

26. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. Учебник для вузов. Изд. 2-е переработанное и дополненное. М., "Советское радио", 1971.

27. Ф. Ланге. Корреляционная электроника. Ленинград, "ГИЗ СУДПРОМ", 1963.

28. Шумоподобные сигналы в системах передачи информации. Под ред. проф. В.Б. Пестрякова. М., "Советское радио", 1973.f)

29. У. Питерсон, Э. Уэлдон. Коды, исправляющие ошибки. Изд. "Мир", М., 1976.

30. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение, второе издание. -М.: Вильяме, 2003.

31. Parkison B.W., Fitzgibbon К.Т. Optimal Locations of Pseudolites for Differential GPS, Navigation (USA), vol. 33, №4, Winter, 1986-87.