Улучшение точностных и надежностных характеристик аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем в высоких широтах

На правах рукописи

АПОЛЛОНОВ АЛЕКСАНДР АЛЕКСЕЕВИЧ

УЛУЧШЕНИЕ ТОЧНОСТНЫХ И НАДЕЖНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АППАРАТУРЫ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ В ВЫСОКИХ ШИРОТАХ

Специальность 05.22.13 – Навигация и управление воздушным движением

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

МОСКВА 2010

Диссертационная работа выполнена в Московском государственном техническом университете гражданской авиации

Научный руководитель:	доктор технических наук, профессор Рубцов Виталий Дмитриевич
Официальные оппоненты:	доктор технических наук Зайцев Алексей Николаевич
	кандидат технических наук Копцев Анатолий Александрович
Ведущая организация:	ФГУП Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем

Защита состоится «____» ___________ 2010 г. в ________ часов на заседании Диссертационного Совета Д.223.011.01 при Московском государственном техническом университете гражданской авиации по адресу: 125993, г. Москва, А-493, ГСП-3, Кронштадтский бульвар, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ ГА.

Автореферат разослан «____»_____________2010г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д223.011.01

доктор технических наук, профессор С.В.Кузнецов

Общая характеристика работы

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

В работе рассматривается только СРНС ГЛОНАСС, вследствие следующих факторов:

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 СРНС GPS на время проведения военных действий или для определенных районов Земли.

Так как в режиме селективного доступа точность навигационных определений (2СКО) при использовании СРНС 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 рассматривается как единственное средство спутниковой навигации.

На рис. 1 показаны значения позиционного геометрического фактора (ГФ) по земной поверхности, отображающего во сколько раз радиальная ошибка местоопределения превышает ошибку определения псевдодальности (ПД) до НКА СРНС ГЛОНАСС на 8 декабря 2009 года в 15:09 по декретному Московскому времени (показатель минимального угла места НКА 5°).

Рис.1. Значения позиционного геометрического фактора

Проанализировав данные, приведенные на рис. 1, 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.

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.

В работе рассматриваются требования к следующим характеристикам АП СРНС:

1) точностные характеристики:

– навигационные параметры: широта (B), долгота (L) и высота (H);

– общий геометрический фактор изменения точности (GDOP), а также геометрические факторы при определении места в пространстве (PDOP), в горизонтальной плоскости (HDOP) и вертикальной плоскости (VDOP).

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.

В диссертации 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 исследований. 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, 30 рисунков, 11 таблиц и библиографию из 36 наименований.

Содержание работы

В первой главе диссертационной работы рассмотрены точностные и надежностные характеристики АП СРНС при использовании сигналов СРНС с неполной группировкой НКА (на 06 ноября 2008 года).

Для проведения исследования на радиовидимость НКА СРНС использовался реальный альманах системы ГЛОНАСС от 6 ноября 2008 года и геодезические координаты г. Норильск: 69°20' 00" с.ш., 88°13' 00" в.д.

Рис.2. Радиовидимость НКА ГЛОНАСС над г. Норильск (06.11.2008г.)

В ходе эксперимента в течение суток с шагом в минуту вычислялись координаты НКА, находящихся в зоне радиовидимости над г. Норильск, и углы места НКА относительно геодезических координат г. Норильск (показатель минимального угла места НКА СРНС установлен в соответствие с техническими данными навигационного приемника GG-24 5°). Полученные в результате эксперимента данные о количестве доступных НКА СРНС отображены на рис.2.

Проанализировав данные, приведенные на рис. 2, можно сделать вывод, что в период времени от 03 ч 35 м до 04 ч 25 м НО с использованием АП СРНС невозможны вследствие отсутствия доступности минимально необходимого для НО в трехмерном пространстве (4-х) НКА. Также следует отметить, что в течение суток наблюдается группа радиовидимых НКА СРНС с максимальным углом места близким к 30°, что при совершении ВС маневров в аэродромной зоне может приводить к затенению сигналов некоторых из них. Так как допускаемый крен ВС при совершении маневров составляет 30° было проведено исследование на радиовидимость НКА ГЛОНАСС, углы места которых превышают 10°, 20° и 30°. Полученные в результате обработки экспериментальные данные представлены на рис.3 и отображают значительное понижение показателей доступности НКА СРНС уже при 10 ° угла места, что будет приводить к потере слежения за навигационным сигналом (НС) при совершении ВС маневров.

Рис. 3. Радиовидимость НКА ГЛОНАСС над г. Норильск (06.11.2008г.) при маневрировании ВС

Был произведен расчет координат АП СРНС в статичном положении над г. Норильск в период времени от 03 ч 00 м до 05 ч 00 м по декретному Московскому времени. Расчеты производились с учетом всех НКА, находящихся в зоне радиовидимости АП СРНС.

Первоначально осуществлялся расчет параметров движения каждого НКА, по которым в данный момент производятся НО. Этот расчет производился на основе принимаемой информации об эфемеридах НКА. Далее производилась коррекция измеренных псевдодальностей (ПД), устранялись с использованием известных моделей ионосферные и тропосферные погрешности, а также погрешности вызванные релятивистским эффектом. После этого на основе скорректированных ПД и рассчитанных координат НКА с помощью итеративного метода взвешенных наименьших квадратов производился расчет навигационных параметров АП СРНС.

Для определения координат объекта и коррекции времени формируется система уравнений, неизвестными в которой являются три координаты ВС и сдвиг шкалы времени АП СРНС относительно шкалы времени НКА:

, , (1)

где - прямоугольные координаты АП СРНС в геоцентрической системе координат (ГСК);

- прямоугольные координаты НКА СРНС в ГСК;

- псевдодальность НКА СРНС;

- количество НКА СРНС, по которым определены ;

- индекс ПД используемой при решении системы уравнений;

- расхождение шкал времени АП СРНС и НКА ;

- скорость света;

На рис. 4 отображены погрешности измерения (2СКО) для трех навигационных параметров: долгота, широта и высота (B, L и H, соответственно) АП СРНС над г. Норильск в заданном интервале времени.

Рис. 4. Погрешности измерения навигационных параметров B,L,H

В общем виде геометрический фактор изменения точности определения навигационных параметров запишется в виде корня квадратного из следа матрицы:

, (2)

где - корреляционная матрица погрешностей местоопределения, определяемая геометрическим расположением излучателей относительно точки местоопределения и корреляционной матрицей по грешностей измерения ПД.

Рассмотрим значения ГФ при определении места в пространстве (PDOP), в горизонтальной плоскости (HDOP) и по высоте (VDOP). Показатели геометрических факторов определялись по формулам:

, (3)

, (4)

, (5)

где - элементы матрицы .

Полученные значения геометрических факторов (PDOP, HDOP, VDOP) для указанных выше условий местоопределения в районе г. Норильск отображены на рис.5.

Рис. 5. Геометрические факторы (PDOP, HDOP, VDOP)

Согласно полученным данным можно сделать вывод, что в период времени от 03 ч 35 м до 04 ч 25 м по декретному Московскому времени над г. Норильск навигационная обстановка является неудовлетворительной вследствие отсутствия минимально необходимого для полноценных НО числа НКА (4-х), а также превышения допустимых показателей ГФ для НО (отображен линией на графике).

Данные, полученные при эксплуатации АП СРНС при неполной рабочей группировке НКА СРНС (на 06 ноября 2008 года) в высоких широтах, показывают, что точностные и надежностные характеристики не удовлетворяют требуемым навигационным характеристикам (RNP), устанавливаемым ИКАО и Российским радионавигационным планом (РРНП).

Из проведенного рассмотрения можно сделать вывод, что хотя использование дифференциальных подсистем и комплексирование обработки навигационной информации при относительных методах навигационно-временных определений улучшают точностные и надежностные характеристики АП СРНС в высоких широтах, но этого недостаточно для соответствия требованиям сформулированных в RNP, что требует использования ПС.

Во второй главе представлены математические модели возмущающих воздействий на АП СРНС в высоких широтах. Излучаемые НКА НС испытывают воздействие различных факторов космического пространства, преднамеренных и непреднамеренных помех, паразитных сигналов, обусловленных многолучёвым распространением НС.

Методами математического моделирования проведена оценка воздействия узкополосных помех, действующих в канале передачи дифференциальных поправок, и широкоплосных помех, воздействующих на приемный тракт АП СРНС.

Выражение для описания узкополосной помехи можно записать в виде:

. (6)

В выражении (6) первое слагаемое представляет собой несущее колебание со стабильными в течение продолжительного времени параметрами (амплитудой, частотой и начальной фазой). Источником такой помехи может быть, например, внеполосное излучение радиомаячных систем. Второе слагаемое представляет собой случайную функцию, в первом приближении описываемую нормальным процессом. Источником такой помехи может быть, например, внеполосное излучение радиотехнических средств вещательных станций и бортовых радиосредств ВС.

Рис. 6. Схема формирование значений фазы тональной помехи

Была проведена оценка влияния тональной помехи на канал передачи дифференциальных поправок. Для этого была построена модель генератора тональной помехи с использованием цифрового сумматора (ЦС), применяемого для формирования значений фазы помехи. Данная схема представлена на рис.6.

Для генерации тональной помехи необходимо сформировать фазу () косинусных и синусных составляющих, при этом фаза будет изменяться по линейному закону (значения фазы выражены в радианах):

, (9)

где Nc - разрядность ЦС.

По полученным значениям фазы генерируются синусные и косинусные составляющие, из которых после цифро-аналогового преобразования формируется узкополосная помеха. Данная модель может быть аппаратно реализована на основе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), что позволяет на аппаратном уровне задавать различные характеристики данных помех.

Также было рассмотрено воздействие на навигационный канал СРНС помех с изменяющейся частотой и флуктуационных помех.

Помеха с изменяющейся частотой (свипирующая помеха) наиболее опасна для СРНС где используется множественный доступ с частотным разделением каналов, потому что позволяет нарушить целостность всей системы. Данная помеха представляет собой сигнал, частота которого на определенном интервале времени изменяется (в частности, по «пилообразному» закону). Схема генератора помехи с изменяющейся частотой показана на рис.7.

Рис. 7. Схема генератора помехи с изменяющейся частотой

Выражение для фазы сигнала свипирующей помехи можно записать в виде:

. (13)

По полученным значениям фазы генерируются синусные и косинусные составляющие сигнала. Спектр полученной помехи представлен на рис.8.

Рис. 8. Спектр помехи с изменяющейся частотой (свипирующая помеха)

Флуктуационные помехи всегда присутствуют в канале связи и по своей физической природе не могут быть устранены полностью. Они способны вызывать маскировку, подавление и искажение НС. Маскировка обусловлена тем, что выбросы помех могут иметь большую величину и различить НС на их фоне становится затруднительно.

Алгоритм моделирования широкополосных флуктуационных помех реализуется в результате последовательного выполнения ряда операций:

- генерации двух взаимно независимых величин с равномерным законом распределения,

- преобразования случайных величин с равномерным законом распределением в случайные величины с нормальным законом распределения,

- формирования случайного процесса с заданной шириной спектра с помощью цифрового фильтра.

Таким образом, широкополосная флуктуационная помеха может быть сформирована с помощью генератора стационарного гауссова шума с нулевым средним и равномерным распределением спектральной плотности мощности в рассматриваемой области частот.

Пусть r и – случайные величины с равномерным законом распределения. При создании последовательности случайных величин r и с равномерным законом распределения можно использовать бинарные псевдослучайные последовательности, генерируемые линейными сдвиговыми регистрами.

Структурная схема генератора широкополосной флуктуационной помехи представлена на рис.9. В приведенной схеме показаны два сдвиговых регистра, которые участвуют в формировании величин с равномерным законом распределения.

Рис. 9. Структурная схема генератора широкополосной флуктуационной помехи

Случайный процесс с заданной шириной спектра («цветной шум») образуется в результате фильтрации белого шума с помощью так называемого формирующего фильтра (был выбран фильтр Чебышева). Результаты моделирования показаны на рис.10.

Рис. 10. Спектр флуктуационной помехи с ограниченной шириной спектра

Представленная математическая модель и ее аппаратная реализация может быть описана на языке VHDL и реализована в микросхемах программируемой логики типа XILINX. Квадратурные компоненты широкополосной флуктуационной помехи с ограниченной шириной спектра после цифро-аналогового преобразования поступают на вход квадратурного модулятора для переноса в заданный диапазон частот.

При преобразовании квадратурного сигнала на высокую частоту внутри микросхемы квадратурного модулятора происходит подавление несущей и одной из боковых полос. Итоговый результат представляет собой однополосный сигнал с подавленной несущей, что позволяет работать в четко заданном диапазоне частот. Если средняя частота такой помехи и ширина спектра совпадает с соответствующими параметрами НС, то она может использоваться для имитации достаточно эффективной организованной помехи, поскольку является сигналоподобной с точки зрения спектральных характеристик. Проверка помехоустойчивости АП СРНС по отношению к таким помехам актуальна в связи с существующими террористическими угрозами.

Дополнив комплекс полунатурного моделирования имитатором возмущающих воздействий, можно подавать на вход АП СРНС сумму НС и помех. Таким образом, можно производить анализ работы АП СРНС в сложной помеховой обстановке на ответственных участках полета ВС и анализировать как работоспособность АП СРНС, так и реализуемую точность НО.

В качестве примера с помощью имитационного комплекса было проведено моделирование работы АП СРНС во время разворота ВС при воздействии узкополосных помех в диапазоне частот НС.

Результаты моделирования показали, что при воздействии узкополосных помех сохраняется возможность сопровождения НС, но их поиск значительно затрудняется в виду того, что уровень помехи может превышать порог обнаружения НС. На рис. 11(а) показан спектр НС, пораженный узкополосной помехой. На рис. 11(б) показана корреляционная функция (КФ) смеси НС и узкополосной помехи. Как видно из рис. 11, уровень помехи в данном случае превышает порог обнаружения, что значительно затрудняет поиск НС.

а) б)

Рис. 11. Воздействие узкополосной помехи на НС

НКА СРНС с низкими углами возвышения затеняются элементами конструкции ВС во время совершения разворота, при этом сопровождение затененных НС прекращается из-за потери сигнала, что приводит к ухудшению геометрического фактора и снижению точности навигационных определений. После завершения маневра в условиях действия помех вновь обнаружить НС затруднительно, что может приводить к сохранению потери точности навигационных определений в зоне действия помех, а в случае ограниченного числа видимых НКА к полному нарушению работоспособности АП СРНС.

Рис. 12. Графики ошибок НО при воздействии помех

Результаты моделирования показали, что при воздействии узкополосных помех сохраняется возможность сопровождения НС, но их поиск значительно затрудняется в виду того, что уровень помехи может превышать порог обнаружения навигационного сигнала.

Использование СРНС в стандартном режиме удовлетворяет требованиям широкого круга потребителей. В то же время для ряда приложений, например захода на посадку ВС по категориям ИКАО, необходимы более высокие показатели точности и достоверности координатного и навигационно-временного обеспечения. Они могут быть получены при использовании функциональных дополнений СРНС на основе псевдоспутников.

В третьей главе описана модель реализации системы навигации на основе ПС, работающей совместно с СРНС ГЛОНАСС. Также даны рекомендации по электромагнитной совместимости и синхронизации космического сегмента СРНС и наземного сегмента навигационной системы на основе псевдоспутников.

В диссертации была рассмотрена одна из главных проблем, связанных с использованием комплексированной системы навигации по сигналам ПС и НКА – проблема динамического диапазона, когда более мощный сигнал ПС вблизи приемника АП СРНС доминирует над слабыми сигналами от удаленных передатчиков НКА.

Рис. 13. Проблема динамического диапазона

На рис.13 отображено проявление проблемы динамического диапазона: сигнал ПС может достигать 60 дБ, на дистанции АП СРНС относительно ПС от 50 м до 50 км. Если сигнал ПС подобен сигналу средней точности (СТ) СРНС ГЛОНАСС, то пики взаимной корреляции между сигналом НКА и ПС в худшем случает достигнут 21.6 дБ. Так как сигнал ПС мощнее, то он доминирует в АП СРНС на расстоянии 50 м. Оценка влияния сигналов ПС на возможность работы АП СРНС по сигналам НКА может быть произведена с использованием рассмотренной во второй главе модели флуктуационной помехи с ограниченным спектром, которая может служить имитацией сигнала ПС при подборе соответствующих спектральных характеристик этой помехи.

Полученные в третьей главе результаты позволили сделать вывод, что для наилучшего разделения и приёма сигналов в канале передачи информации с использованием шумоподобных сигналов несущую сигнала лучше модулировать псевдослучайными последовательностями, которые формируются полиномами нечетной длины или оперировать ограниченным набором последовательностей, генерируемых с использованием полиномов четной длины. Также были предложены рекомендации по устранению проблемы динамического диапазона и осуществлению синхронизации космического сегмента СРНС и наземного сегмента навигационной системы на основе псевдоспутников.

Были рассмотрены точностные и надежностные характеристики АП СРНС, работающей в совместном режиме по навигационным сигналам НКА и ПС. Для этого использовалась информация, полученная в первых двух главах о точностных и надежностных характеристиках АП СРНС в высоких широтах.

Была проведена оценка влияния использования двух ПС в зоне радиовидимости АП СРНС, расположенной над г. Норильск. В системе уравнений ПД от АП СРНС до НКА или ПС будут отображены индексом n:

, (14)

где - прямоугольные координаты НКА или ПС в ГСК, - псевдодальность НКА или ПС, - количество НКА и ПС, по которым определены ; - индекс ПД используемой при решении системы уравнений, - расхождение шкал времени АП СРНС и НКА, - расхождение шкал времени ПС и СРНС.

Показатели погрешностей измерения (2СКО) трех навигационных параметров (B, L, H) при использовании навигационных сигналов от двух ПС отображены на рис.14.

Рис. 14. Показатели погрешности измерения навигационных параметров при использовании псевдоспутников в высоких широтах

Результаты анализа влияния комплексной обработки сигналов ПС и НКА, при решении навигационной задачи над г. Норильск, показали, что погрешность определения навигационных параметров высоты (H) и долготы (L) не превышает 25 метров, а для широты (В) не превышает 8 метров, что соответствует требованиям ИКАО при проведении ВС некатегорированного захода на посадку.

Таким образом, можно заключить, что использование в высоких широтах в зонах плохой радиовидимости НКА функционального дополнения СРНС ГЛОНАСС в виде псевдоспутников позволяет улучшить точностные и надежностные характеристики АП СРНС и повысить безопасность полетов воздушных судов гражданской авиации, в том числе и в условиях затенения навигационной антенны элементами конструкции ВС при совершении маневров, за счет избыточности навигационных данных, необходимой для поддержания заданной точности НО.

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 RNP.

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 RNP.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. Традиционные методы повышения точности навигационных определений путем использования дифференциального режима работы АП СРНС не обеспечивают заданных в RNP 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 полунатурных 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.

Основные публикации по теме диссертации

В изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования материалов диссертаций:

1. Аполлонов А.А., 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.

2. Аполлонов А.А., 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.

3. Аполлонов А.А. Повышение надежности взаимодействия спутниковых радионавигационных систем и систем на базе псевдоспутников в высоких широтах. Научный вестник МГТУ ГА №160, 2009 г.

4. Аполлонов А.А. Улучшение точностных и надежностных характеристик аппаратуры потребителей в высоких широтах при использовании псевдоспутников. Научный вестник МГТУ ГА №160, 2010 г.

В прочих изданиях:

5. Аполлонов А.А. Анализ надежности связи диспетчерского радиоканала. Международная научно-техническая конференция "Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества". Тезисы докладов. М., 2006 г.

6. Аполлонов А.А., Баранов Э.В. Математическая модель генератора широкополосной помехи для имитации помеховой обстановки аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем. 9-ая Международная конференция "Цифровая обработка сигналов и ее применение". Российское НТОРЭС им. А.С. Попова. Тезисы докладов. М., 2008 г.

7. Аполлонов А.А. Оптимальные наборы псевдослучайных последовательностей для преодоления проблем многолучевости и динамического диапазона в системах навигации на базе псевдоспутников. Международная научно-техническая конференция "Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества". Тезисы докладов. М., 2008 г.

8. Аполлонов А.А. Математическая модель генератора помех для имитации помеховой обстановки в аппаратуре потребителей спутниковых радионавигационных систем. Международная научно-техническая конференция "Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества". Тезисы докладов. М., 2008 г.

Соискатель