Введение к работе
Актуальность работы. Повышение требований к безопасности полетов воздушных судов (ВС) в условиях возросшей интенсивности воздушного движения требует применения различных средств навигации (спутниковых радионавигационных систем (СРНС), инерциальных навигационных систем (ИНС), импульсно-фазовых радионавигационных систем (ИФРНС), высотомеров и др.), а также совершенствования алгоритмов совместной обработки информации от этих средств с целью повышения точности навигационных определений.
Удовлетворение современным требованиям по безопасности полетов ВС и точности их навигационного обеспечения на всех этапах полета может быть выполнено только лишь при весьма высоких точностных характеристиках бортовой навигационной аппаратуры приема и обработки сигналов СРНС. Добиться этого в условиях вероятных затенений сигналов от навигационных космических аппаратов (НКА), плохой геометрии НКА рабочего созвездия, перерывов в слежении за их сигналами и многолучевости при распространении радиоволн можно как путем комплексирования данных СРНС и данных автономных средств навигации, так и с помощью использования усовершенствованных алгоритмов обработки информации.
При затенении приемной антенны или при высокой маневренности ВС в аппаратуре потребителя (АП) СРНС возможны срывы в сопровождении за сигналами от НКА. Это обстоятельство влечет за собой потерю сигналов от НКА, и как следствие уменьшение числа НКА в рабочем созвездии, что в свою очередь, влияет на точность определения координат и составляющих вектора скорости ВС или приводит к прекращению навигационных определений в АП СРНС. Так как в современной АП СРНС слежение за сигналом каждого НКА осуществляется индивидуально в отдельном канале коррелятора, расчет сигналов управления слежением за сигналом НКА выполняется независимо для каждого канала коррелятора. При этом оставшиеся в обработке НКА не участвуют в восстановлении слежения за потерянными сигналами.
В АП СРНС канал, по которому был срыв в сопровождении за сигналом от НКА, дает ошибку в определении псевдодальности (ПД) и псевдоскорости (ПС), которые в свою очередь влияют на точности определения координат и составляющих вектора скорости ВС.
Кроме того, низкий уровень сигналов НКА приводит к низкой помехоустойчивости, что делает АП СРНС уязвимой к преднамеренным и непреднамеренным помеховым воздействиям. Вследствие этого нельзя не учитывать возможные срывы сопровождения сигналов отдельных НКА рабочего созвездия в условиях неблагоприятной помеховой обстановки.
Из изложенного следует актуальность проведения научных исследований по тематике диссертационной работы.
Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является разработка методов повышения точности навигационных определений с использованием алгоритмов обработки информации от СРНС, ИФРНС и автономных средств навигации ВС.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
1. Разработка алгоритма управления устройствами слежения за сигналами НКА с использованием результатов решения навигационной задачи (НЗ).
2. Оценка зависимости точности определения местоположения ВС в зависимости от числа НКА в рабочем созвездии и режима работы АП СРНС.
3. Оценка возможности обеспечения требуемых навигационных характеристик при полете ВС по трассе и категорированной посадке в сложных условиях эксплуатации за счет сильносвязанного комплексирования датчиков навигационной информации и использования алгоритма управления устройствами слежения за сигналами НКА по результатам решения НЗ.
4. Анализ эффективности использования ИФРНС как функционального дополнения СРНС.
5. Экспериментальное определение необходимой периодичности ввода коррекции ИФРНС по данным СРНС с учетом пространственно-временной корреляции дополнительного набега фазы сигналов ИФРНС.
Методы исследований. При решении перечисленных задач были использованы методы математического анализа, теории вероятностей и теории случайных процессов, методы теории оптимального оценивания, а также методы математического моделирования.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые проведен системный анализ методов повышения точности навигационных определений с применением алгоритма обработки сигналов СРНС, в котором используется обратная связь по решению навигационной задачи как при автономной работе АП СРНС, так и при ее комплексировании с ИНС и ИФРНС.
В работе получены следующие основные научные результаты:
1. Разработан программно-математический комплекс, позволяющий проводить оценку зависимости геометрического фактора от числа НКА в рабочем созвездии и режима работы АП СРНС как методами математического моделирования, так и с использованием реальных орбитальных группировок СРНС GPS/ГЛОНАСС.
2. Предложен алгоритм расчета навигационных параметров ВС, при котором сигналы управления в контурах слежения за сигналами НКА связаны друг с другом через решение НЗ и проведен анализ его эффективности.
3. Показано, что комплексирование АП СРНС и ИНС с использованием обратной связи по решению НЗ позволяет уменьшить вероятность срывов в сопровождении за сигналами НКА при работе на высокодинамичных ВС.
4. Показано, что использование неитерационного алгоритма определения местоположения ВС при работе по сигналам ИФРНС позволяет осуществлять навигационные определения при работе на границе рабочей зоны, когда итерационный алгоритм не работоспособен из-за неблагоприятного расположения опорных станций.
5. Экспериментально показано, что флуктуации дополнительного набега фазы сигналов ИФРНС обладают высокой пространственной изменчивостью, и эффективное использование квазидальномерного режима коррекции ИФРНС на динамичном объекте возможно лишь при вводе поправок с периодичностью порядка нескольких минут.
На защиту выносятся:
1. Алгоритм навигационных определений в СРНС с использованием результатов решения НЗ, применимый как при автономной работе АП СРНС, так и при ее комплексировании с ИНС и ИФРНС.
2. Результаты моделирования предложенного алгоритма навигационных определений в СРНС с использованием результатов решения НЗ и оценка его эффективности.
3. Оценка зависимости точности навигационных определений в СРНС от числа НКА в рабочем созвездии и режима работы АП СРНС.
4. Результаты обработки экспериментальных данных навигационных определений в совмещенной АП СРНС и ИФРНС, позволяющие определить периодичность ввода поправки в ИФРНС при ее коррекции по СРНС.
Практическая значимость работы состоит в том, что полученные в ней результаты могут быть использованы службами эксплуатации авиационной техники и разработчиками навигационной аппаратуры, поскольку позволяют:
повысить точность определения навигационных параметров ВС за счет совершенствования алгоритмов обработки сигналов СРНС и путем комплексирования АП СРНС с ИНС и ИФРНС;
расширить функциональные возможности АП СРНС за счет увеличения точности и уменьшения вероятности срывов в сопровождении за сигналами НКА при интенсивном воздействии помех и при установке АП СРНС на высокодинамичных ВС;
уменьшить время восстановления навигационных определений при смене рабочего созвездия и срывах в сопровождении за сигналами НКА при затенении антенны АП СРНС горными образованиями, местными предметами или элементами конструкциями ВС при решении задач категорированной посадки ВС;
обеспечить работу АП СРНС в условиях неполного рабочего созвездия при решении задач поиска и спасания в условиях гористой местности.
Внедрение результатов. Основные результаты работы внедрены в ОАО «Московское конструкторское бюро «Компас»» и в Московском государственном техническом университете гражданской авиации, что подтверждено соответствующими актами.
Апробация результатов. Материалы диссертации докладывались на Международной научно-технической конференции «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества», посвященной 85 – летию гражданской авиации России (Москва, МГТУ ГА, 2008 г.); на Пятнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (Москва, МЭИ (ТУ), 2009 г.); на Четвертой отраслевой научной конференции-форуме «Технологии информационного общества» (Москва, МТУСИ, 2010 г.) и на Семнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (Москва, МЭИ (ТУ), 2011 г).
Публикации результатов. Основные 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.
