Введение к работе
Актуальность темы
Научное и практическое решение проблем навигации и управления воздушным движением (УВД) состоит в разработке новых методов, технологий, систем и средств повышения эффективности процессов навигации и УВД.
Несомненно, что тематика, связанная с повышением точности и надежности спутниковых навигационных систем в настоящее время является актуальной. Все навигационные системы в зависимости от типа используемых источников информации делятся на автономные и неавтономные.
К автономным системам относятся инерциальные навигационные системы (ИНС). Принцип работы ИНС основан на интегрировании значений ускорений воздушного судна (ВС) по трем осям координат, что позволяет определить местоположение ВС, а с помощью дальнейших преобразований и другую необходимую для решения задач навигации информацию. Для такой системы характерно возрастание погрешности определения координат в зависимости от времени полета ВС. Данная погрешность определяется как величина «ухода», подсчитанного с помощью ИНС местоположения ВС от фактического местоположения за один час полета. В «Руководстве по требуемым навигационным характеристикам» приводится номинальное значение данной величины, равное 1,5...2 морским милям за час ( ~ 2,8...3 км за час), но, как показывает практика, современные инерциальные системы обеспечивают более высокую точность. Несмотря на это, инерциальные навигационные системы не могут применяться в «чистом» виде, без использования специальных корректирующих алгоритмов.
К неавтономным навигационным системам можно отнести аппаратуру всенаправленного азимутального радиомаяка (РМА, англ. VHF Omnidirectional Radio Range, VOR), всенаправленного дальномерного радиомаяка (РМД, англ. Distance Measuring Equipment, DME), совместную систему РМА/РМД (VOR/DME), глобальные навигационные спутниковые системы (англ. Global navigation satellite system - GNSS).
Постоянное возрастание интенсивности воздушного движения (ВД) привело к тому, что воздушных трасс, проходящих через радиомаяки и имеющих ограниченную пропускную способность, во многих регионах страны, особенно в крупных узловых центрах (например, в Московском регионе) стало явно недостаточно. Специалисты стали рассматривать возможность организации ВД по произвольным траекториям, причём не обязательно проходящим через радиомаяки. Такой тип навигации получил название «зональная навигация» (англ. Area navigation, RNAV).
Впоследствии, для целей навигации взамен радиомаячных систем стали применяться инерциальные системы, спутниковые навигационные системы и их комбинации, исключая, таким образом, само понятие навигации в какой-либо зоне, но, несмотря на это, термин «зональная навигация» сохранился.
В соответствии с концепцией ICAO CNS/ATM оборудование зональной навигации в ближайшем будущем будет организовано на базе спутниковых навигационных систем (СНС).
Оборудование СНС имеет ряд неоспоримых преимуществ, перед традиционными навигационными системами:
глобальность и непрерывность действия;
возможность применения специальных методов для увеличения точности определения местоположения воздушного судна (например, для целей захода на посадку);
- независимость работоспособности системы от внешних факторов.
Условно можно разделить всю систему погрешностей при использова
нии информации СНС на два типа:
Погрешности оборудования приемника и передатчика.
Погрешности среды распространения сигнала.
Погрешности оборудования приемника и передатчика легко поддаются выявлению и вычисляются в процессе обработки сигнала.
Погрешности среды распространения сигнала, в первую очередь, зависят от сезона, времени суток, метеоусловий, уровня геомагнитной и солнечной активности. Однако, в любое время основным источником погрешностей при определении местоположения ВС с использованием спутниковых навигационных систем являются ионосфера и тропосфера. При этом также известно, что ионосфера большую часть времени находится в возмущенном состоянии, что приводит к увеличению погрешности определения местоположения ВС и сбоям СНС.
В связи с последовательным введением концепции ICAO CNS/ATM значительно ужесточились требования к навигационному обеспечению ВС, что приводит к необходимости решения задач повышения точности определения навигационных параметров, т.е. снижению влияния погрешностей.
Следовательно, возникает актуальная научная проблема совершенствования навигационных систем для воздушного транспорта, чему и посвящена настоящая работа, целью которой является совершенствование существующих навигационных систем ВС путем повышения точности и надежности определения местоположения ВС во время всего цикла полета.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
Анализ требуемых навигационных характеристик и используемой в настоящее время навигационной аппаратуры с целью определения основных составляющих погрешностей измерений.
Разработка математической модели метода снижения погрешностей с помощью инструментов статистического и математического моделирования.
Реализация математической модели в виде программного комплекса с возможностью обработки различных исходных данных.
Анализ существующей элементной базы для аппаратной реализации программного комплекса.
Оценка способов включения полученного программно-аппаратного комплекса обработки навигационной информации в состав существующего навигационного оборудования.
Экспериментальные исследования для оценки правильности предложенной методики уменьшения погрешностей определения местоположения ВС.
Проведение экспериментальных исследований для оценки предложенного метода при программной симуляции движения ВС по маршруту.
Объект исследования - погрешность при определении местоположения ВС с применением комплексированных спутниковых навигационных приемников.
Предметом исследования являются способы уменьшения погрешности определения местоположения ВС в комплексированных СНС.
Методы исследования: теоретический научный метод, системный анализ, теория порядковых статистик, эмпирический анализ, методы программирования на языках высокого уровня, математические методы обработки информации.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней:
Предложен новый метод комплексирования спутниковых навигационных приемников - метод двойного усреднения. По данному методу разработан алгоритм вычислений.
Теоретически обоснована и доказана с помощью статистических вычислений применяемость разработанного алгоритма для уменьшения погрешности при комплексировании спутниковых навигационных систем.
Разработана программно-аппаратная модель алгоритма вычислений по методу двойного усреднения, и предложена методика интегрирования аппаратуры на базе программно-аппаратной модели и навигационного комплекса современных ВС.
Выполнены экспериментальные исследования в области оценивания адекватности разработанной программно-аппаратной модели при управлении воздушным движением.
Доказано теоретически и экспериментально улучшение точности и надежности работы комплексированных навигационных систем при использовании метода двойного усреднения.
Практическая значимость работы заключается в возможности: 1. Увеличить точностные характеристики определения местоположения ВС в пространстве без применения специализированных функциональных дополнений спутниковых навигационных систем за счет использования в бортовых вычислителях предложенного метода двойного усреднения.
Увеличить интенсивность движения ВС за счет сокращения интервалов эшелонирования.
Повысить уровень безопасности полетов за счет более точного определения местоположения ВС в пространстве.
Основные положения, выносимые на защиту следующие:
Метод обработки навигационной информации от трех спутниковых навигационных приемников.
Результаты теоретического исследования и моделирования по разработанному программно-аппаратному комплексу для обработки навигационной информации.
Методика эксперимента и экспериментальные исследования по выбору места расположения трех одночастотных приемников GPS с имитацией их размещения на борту ВС.
Апробация и публикация работы
Результаты проведенных исследований докладывались на международных, всероссийских и внутривузовских конференциях, в том числе:
Международной научно-технической конференции, посвященной 85-летию гражданской авиации России (Москва, МГТУ ГА, 2008);
Всероссийской конференции молодых ученых и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике-2008» (Москва, МАИ, 2008);
Международной научно-технической конференции «Информационно-вычислительные технологии и их приложения» (Пенза, ПГСХА, 2008);
XXIV Всероссийской конференции обучающихся «Национальное достояние России» (Москва, 2009);
Международном Форуме по проблемам науки, техники и образования (Москва, 2008);
5-й международной молодежной научно-технической конференции «Современные проблемы радиотехники и коммуникаций» (Украина, Севастополь, 2009);
IX Международной научно-технической конференции «Авиа-2009» (Украина, Киев, 2009);
научно-технической конференции, посвященной 80-летию со дня рождения д.т.н., профессора, заслуженного деятеля науки и техники РСФСР П.А. Бакулева (Москва, МАИ, 2008).
Публикации
По материалам диссертации опубликованы 13 работ, из которых 4 включены в издание, входящее в перечень изданий, рекомендованных ВАК для опубликования основных научных результатов диссертации.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 82 наименований и приложения. Основная часть диссертации содержит 46 рисунков, 15 таблиц и 3 листинга программ.
Общий объем работы 183 страницы.
