Повышение точности и надежности измерений в комплексированных спутниковых навигационных системах методом двойного усреднения

Формулировка проблемы и её актуальность.

Первоначально термин «навигация» (лат. Navigo — плыву на судне) относился исключительно-ю мореплаванию, обозначая, основной раздел судовождения, в котором разрабатывались теоретические обоснования и практические приёмы вождения судов [1].

С быстрым развитием1 науки и техники в XX веке и с появлением различных объектов навигации такихкак автомобили, воздушные суда, космические корабли и т. п., термин навигация стал охватывать более широкий спектр смысловых значений. В< общем виде, можно’считать, что навигацияэто процесс управления некоторым объектом, который имеет собственные методы, передвижения в некотором, пространстве. Этот процесс состоит, из> двух основных частей [1]:

1. Теория и применение на практике методов управления объектом.

2. Выбор оптимального движения объекта в пространстве, или маршрутизация.

Для решения задач навигации требуется наличие источников информации, которыми могут являться различные факторы естественного и искусственного происхождения, такие как параметры магнитного, электромагнитного и гравитационного поля, астрономические данные, инерциальные явления и т. п. [2]. В зависимости от типа используемых источников информации все навигационные системы можно разделить на автономные и неавтономные.

Автономными принято называть такие системы, которые не используют для решения навигационной задачи искусственные параметры от внешних источников. Не соответствующие этому критерию навигационные системы называют неавтономными.

К автономным системам относятся инерциальные навигационные системы (ИНС). Принцип работы ИНС основан на интегрировании значений ускорений воздушного судна 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 [2]. В «Руководстве по требуемым навигационным характеристикам» [3] приводится номинальное значение данной величины, равное 1,5.2 морские мили за час (~ 2,8.3 км за час), но, как показывает практика, современные инерциальные системы обеспечивают более высокую точность. Например, при использовании широко распространенной системы ИНС «Litton-90−100» (США) величина погрешности составляет лишь 0,5 морских мили за час (~ 900 м за час) [4]. Несмотря на это, инерциальные навигационные системы не могут применяться в «чистом» виде без использования специальных корректирующих алгоритмов. В качестве примера алгоритма снижения погрешности ИНС можно рассмотреть вариант расположения на борту ВС трех одинаковых комплектов ИНС с использованием различных алгоритмов обработки информации — от простого усреднения координат, полученных от трех ИНС, до сложных алгоритмов фильтрации [2]. Также, одним из вариантов является дополнение и корректировка информации, получаемой от ИНС, информацией от спутникового навигационного приемника. Примером такой системы может служить российская разработка — приборы НСИ-2000 и НСИ-2000МТ, включающие в себя инерци-альную часть на базе лазерных гироскопов и аппаратуру спутниковой навигационной системы на базе приемников GG-24 и антенны приема спутниковых сигналов GPS/TJIOHACC. Данные системы сертифицированы для использования на самолетах Ил-76-ТД, Ту-154М, Бе-200, Ту-334, Ил-96−300 [5].

К неавтономным навигационным системам можно отнести аппаратуру всенаправленного азимутального радиомаяка (РМА, англ. VHP Omnidirectional Radio Range, VOR), всенаправленного дальномерного радиомаяка (РМД, англ. Distance Measuring Equipment, DME), совместную систему.

РМА/РМД (VOR/DME), глобальные навигационные спутниковые системы (англ. Glbbarnavigation satellite system — GNSS).

Всенаправленный азимутальный радиомаяк (РМА, англ: VOR). СтанцияVOR передаёт в эфир свои-позывные азбукой, Морзе и информацию, которая? позволяет радионавигационным системам на борту ВС определитьего угловое положение относительно станции: Информацияот двух станций? даёт возможность однозначно определить положение ВС [6]1.

Всенаправленный далъномерный радиомаяк (РМД,. англ. DME). Работа подобной системы основана на измерении времени прохождения радиосигнала от наземной станции до’ВС. Как на наземной станции, так и на ВС требуется установка приёмника и передатчика. На практике DME обычно совмещается с навигационной системой VOR, или оборудование DME размещается вместе с курсо-глиссадньши-маякамищнструментальнойхистемы"посадки-[6].

Система РМА/РМД (англ. VOR/DME). Работа системы: заключается в преобразовании бортовым компьютером пеленга и дальностиот радиомаяка: Bf линейное бортовое уклонениеот линии заданного пути и оставшееся: расстояние. Точность данного способа навигации' связана' в основномс азимутальным каналом системы, т. е. с VOR. В любых угломерных системах линейная погрешность определения* местоположения: возрастает пропорционально удалению от радиомаяка' [2]. При этом средняя квадратическая: погрешность определения пеленга по VOR составляет около 1°.2°. Это значение и ограничивает максимально допустимую дальность использования* радиомаяка, которая зависит также и от требований к точности навигации в данном районе.

Как в нашей стране, так и за рубежом в течение долгого времени маршруты полётов воздушных судов организовывались так, чтобы они проходили через наземные радиомаяки. В’таких случаях обычно использовался радиомаяк типа VOR. При таком режиме полета ВС выполняло настройку на частоту конкретного радиомаяка’VOR, при этом движение осуществлялось по направлению на радиомаяк, или по направлению от радиомаяка. Бортовое оборудование определяло величину отклонения ВС от заданного пути, отображая необходимые сведения на пилотажно-навигационном приборе. При данном способе навигации обеспечивается точное следование ВС заданному курсу без учета поправки на снос боковым ветром [7].

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)1 стало явно недостаточно. Специалисты стали рассматривать возможность организации ВД по произвольным траекториям, причём не обязательно проходящим через радиомаяки.

Для выполнения таких полетов необходимо следующее:

1. В течение всего полета получать информацию о текущем местоположении ВС.

2. Отображать полученную информацию на навигационном приборе с учетом отклонения от намеченного маршрута.

Выполнение первого условия обеспечивается путем использования системы радиомаяков типа VOR/DME, которая позволяет непрерывно измерять пеленг и дальность до ВС. Для решения второй задачи потребовалось доос-нащение ВС компьютерной техникой, выполняющей непрерывную обработку измеряемых значений пеленга и дальности и преобразованию их в линию пути на экране навигационного прибора.

Такой тип навигации получил название «зональная навигация» (англ. Area navigation, RNAV) [2,3]. Название можно объяснить тем, что данный тип навигации применялся в зоне действия радиомаяка. Впоследствии, для целей навигации взамен радиомаячных систем стали применяться инерци-альные 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 настоящее время зональная навнгаг{11Я — метод навигации, который позволяет воздушному судну выполнять полет по любой желаемой траектории [3]. Оборудование, с использованием, которого выполняется зональная навигация, стали называть «оборудованием зональной навигации» или «оборудование RNAV».

В соответствии с концепцией ICAO CNS/ATM оборудование зональной навигации в ближайшем будущем будет организовано на базе спутниковых навигационных систем [8].

Оборудование СНС имеет ряд неоспоримых преимуществ перед традиционными навигационными системами:

— глобальность и непрерывность действия;

— независимость работоспособности. системы от количества одновременно работающих приемников;

— возможность применения специальных методов для увеличения точности определения местоположения воздушного судна (например, для целей захода на посадку);

— независимость работоспособности системы от внешних факторов.

СНС позволяют определять не только местоположение ВС, включая высоту полета, но и параметры его движения: путевую и вертикальные скорости, значения ускорений и путевой угол [9].

К потребителям СНС поступает информация о текущем, значении навигационных параметров и эфемеридная информация, каждая из которых искажена помехами. Кроме того, обработка поступающей информации также вносит свои помехи.

Условно можно разделить всю систему погрешностей на два типа:

1. Погрешности оборудования приемника и передатчика.

2. 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, как показано в [10], 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.

Несмотря на это, на этапе первоначального проектирования СНС считалось, что влиянием среды распространения сигнала можно пренебречь вследствие высокой частоты сигнала радиоволны, потому что в этом случае показатель преломления среды близок к. единице, а путь распространения. сигнала, стремится к прямому отрезку между передатчиком и приемником [10]. Однако, в настоящее время, в связи с последовательным введением концепции-1САО С^/АТЫ значительно ужесточились требования к навигационному обеспечению ВС, что приводит к необходимости решения задач повышения точности определения навигационных параметров, то есть снижению влияния погрешностей.

Следовательно, возникает актуальная научная проблема совершенствования навигационных систем для воздушного транспорта, путем уменьшения погрешностей определения местоположения ВС во время всего цикла полета.

Цель и задачи исследования

.

Целью исследования является совершенствование существующих навигационных систем ВС путем снижения погрешностей определения местоположения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— выполнить анализ требуемых навигационных характеристик в соответствии с концепцией 1САО СКБ/АТМпровести анализ используемой в настоящее время навигационной аппаратуры с целью определения основных составляющих погрешностейпровести анализ существующей и планируемой для введения аппаратуры СНСразработать метод снижения погрешностей, основываясь на статистическом и математическом моделированииразработать математическую модель метода снижения погрешностейреализовать математическую модель в виде программного комплекса с возможностью изменения исходных данныхпровести анализ существующей элементной базы для аппаратного исполнения программного комплексапредусмотреть возможность включения полученного программно-аппаратного комплекса обработки навигационной информации в состав существующего навигационного оборудованияпроизвести экспериментальные исследования для оценки правильности предложенной методики уменьшения погрешностей определения местоположения ВСпроизвести экспериментальные исследования в области отработки разработанной методики для трех источников навигационных сигналовпроизвести экспериментальные исследования по применению предложенной методики для снижения погрешностей на примере полета ВС.

Методы исследования.

Для решения указанных выше задач были применены теоретические методы исследования* погрешностей, статистические и-математические методы обработки информации, прикладные методы функционального анализа, методы программирования на. языках высокого уровня, пакеты прикладного и специального программного* обеспечения: Кроме* того, были использованы экспериментальные исследования, выполненные с помощью — специализированного навигационного оборудования.

Научная новизна работы.

Научная новизна работы состоит в предложенном методе обработки навигационной информации от нескольких навигационных приемников и разработанной для данного метода схемы построения бортового вычислительного устройства. Предложенный программно-аппаратный комплекс обладает возможностью интеграции в существующие навигационные системы. Проведен’эксперимент по проверке реализации метода в. программно-аппаратном комплексе с целью определения величины погрешностей измерения и исключении их из окончательной навигационной информации, на борту воздушного судна.

В диссертации получены следующие научные результаты:

1. Предложен метод двойного усреднения для обработки навигационной информации трех бортовых навигационных систем, позволяющий уменьшить погрешности измерений.

2. На основе разработанной модели показана возможность интегрирования программно-аппаратного комплекса в состав существующего навигационного оборудования ВС.

3. На основе экспериментальных исследований определено оптимальное расстояние между навигационными приемниками на борту ВС.

На защиту выносятся:

1. Метод обработки навигационной информации от трех бортовых навигационных систем.

2. Результаты теоретического исследования и моделирования по разработанному программно-аппаратному комплексу для обработки навигационной, информации.

3. Методика эксперимента и экспериментальные исследования по выбору места расположения трех одночастотных приемников GPS с имитацией их. размещения на борту ВС.

Научная и практическая значимость работы состоит в том, что полученные в ней результаты позволяют:

1. Выполнять определение местоположения ВС во время всего цикла полета с соблюдением требований к точностисогласно концепции ICAO CNS/ATM.

2. Применить разработанный программно-аппаратный комплекс для реализации аппаратуры, включаемой в состав навигационной системы.

3. Выявить наиболее рациональное расположение навигационных приемников на борту ВС с точки зрения снижения погрешности определения местоположения.

Внедрение результатов.

Результаты диссертационной работы внедрены в МГТУ ГА, Рыльском авиационном техническом колледже (АТК) и филиале «Аэронавигация Восточной Сибири» ФГУП «Госкорпорация по ОрВД», что подтверждено соответствующими актами.

Достоверность результатов основана на применении теоретических основ построения спутниковых навигационных систем, использовании моделирования на ПЭВМ, сравнении результатов полученных экспериментальным путем с результатами других авторов.

Апробация результатов.

Результаты проведенных исследований докладывались на:

— Международной научно-технической конференции, посвященной 85-летию гражданской авиации России [11];

— Всероссийской конференции молодых ученых и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике-2008» [12];

— Международной научно-технической конференции «Информационно-вычислительные технологии и их приложения» [13];

— XXIV всероссийской конференции обучающихся «Национальное достояние России» [14];

— Международном Форуме по проблемам науки, техники и образования [15];

— 5-й международной молодежной, научно-технической конференции «Современные проблемы радиотехники и коммуникаций» [16];

— IX Международной научно-технической конференции «Авиа-2009» [17];

— научно-технической конференции, посвященной 80-летию со дня рождения д.т.н., профессора, заслуженного деятеля науки и техники РСФСР П. А. Бакулева [18].

Публикация результатов.

Основные результаты диссертации представлены в 13 научных работах, которые опубликованы в российских и зарубежных источниках.

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.

Заключение

.

Целью работы являлось совершенствование существующих в настоящее время навигационных систем воздушных судов путем повышения точности и надежности измерений в комплексированных спутниковых навигационных системах.

Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие основные задачи:

1. Выполнен анализ состояния современной аппаратуры, устанавливаемой на ВС и используемой для целей навигации.

2. Рассмотрены основные требования к навигационным характеристикам в соответствии с концепцией CNS/ATM 1С АО.

3. Рассмотрены спутниковые системы навигации GPS и ГЛОНАСС, определены достоинства и недостатки систем при использовании в качестве средства навигации, проведены исследования с целью определения источников погрешности при определении координат, выделены возможные варианты улучшения СНС.

4. Оценены варианты комплексирования как спутниковых навигационных систем с «традиционными» системами навигации, так и ком-плексирование нескольких приемников спутниковых навигационных систем.

5. Изучены требования к бортовой аппаратуре, осуществляющей обработку сигналов от нескольких навигационных систем.

6. Проведен статистический и математический анализ существующих и предложенного метода измерения навигационных параметров.

В ходе работы были получены следующие новые научные результаты:

1. Предложен новый метод измерения в комплексированных спутниковых навигационных системах — метод двойного усреднения.

2. Разработан алгоритм выполнения вычислений по методу двойного усреднения. г.

3. С помощью статистических вычислений теоретически обоснована и доказана возможность применения разработанного алгоритма при комплексировании спутниковых навигационных сигналов для целей уменьшения погрешности определения координат.

4. Разработана программно-аппаратная модель алгоритма вычислений по методу двойного усреднения. Программно-аппаратная модель выполнена на современной элементной базе — программируемых логических интегральных схемах с применением встраиваемого процессора, что повышает надежность работы навигационной системы.

5. Предложена методика интегрирования аппаратуры, разработанной на базе программно-аппаратной модели в навигационный комплекс современных ВС.

6. Выполнены эспериментальные исследования в области оценивания адекватности разработанной программно-аппаратной модели в реальных условиях управления воздушным движением.

7. Доказано теоретически и экспериментально улучшение характеристик работы комплексированных навигационных систем при использовании метода двойного усреднения.

Полученные результаты дают возможность:

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.

2. Увеличить интенсивность движения воздушных судов за счет сокращения интервалов эшелонирования и повысить уровень безопасности полетов, благодаря более точному определению местоположения ВС в пространстве.