Методы повышения точности навигационных определений с использованием алгоритмов обработки информации в радионавигационных системах с наземным и космическим базированием

На правах рукописи ПИЧУГИН СЕРГЕЙ МИХАЙЛОВИЧ методы ПОВЫШЕНИя ТОЧНОСТИ НАВИГАЦИОННЫХ ОПРЕДЕлеНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АЛГОРИТМОВ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ В РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ С НАЗЕМНЫМ И КОСМИЧЕСКИМ БАЗИРОВАНИЕМ Специальность 05.22.13 - Навигация и управление воздушным движением АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук МОСКВА – 2011 Диссертационная работа выполнена в Московском государственном техническом университете гражданской авиации. Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Рубцов Виталий Дмитриевич Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Маслов Виктор Юрьевич кандидат технических наук Копцев Анатолий Александрович Ведущая организация: Государственный научно- исследовательский институт авиационных систем (ГосНИИАС) Защита состоится « 21 » апреля 2011 г. в 14-30 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 «____» _______________ 2011 г. Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор С.В.Кузнецов Общая характеристика работы 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. Диссертация содержит 103 страницы текста, 38 рисунков, 12 таблиц и библиографию из 43 наименований. Содержание работы В первой главе диссертационной работы производится анализ зависимости точностных характеристик определения координат и составляющих вектора скорости ВС от количества НКА в рабочем созвездии и режима работы АП СРНС. Рассматривается возможность связать расчет сигналов управления в контурах слежения за сигналами НКА через решение НЗ и тем самым уменьшить число срывов в сопровождении за сигналами НКА на высокодинамичных ВС. Основной целью работы АП СРНС является определение пространственно-временных координат ВС, а также составляющих его скорости, поэтому в результате решения НЗ определяется расширенный вектор состояния ВС, который в прямоугольной системе координат (СК) включает в себя где – координаты и скорости ВС, – уход шкалы времени АП СРНС относительно шкалы времени СРНС, – скорость ухода шкалы времени АП СРНС относительно шкалы времени СРНС. Число НКА в рабочем созвездии в АП СРНС зависит от того одна СРНС (GPS или ГЛОНАСС) или обе СРНС одновременно (GPS/ГЛОНАСС) используются для определения местоположения ВС, а также от географического положения самого ВС и от условий радиовидимости НКА – открытое место, навигация в городских условиях или гористой местности и т.д. Число видимых НКА при полете в гористой местности, где велика вероятность затенения сигналов от НКА или при работе в сложной помеховой обстановке при низких значениях отношения сигнал/шум (ОСШ), может быть меньше минимального (4-х при работе по 1-й СРНС и 5-ти при работе по 2-м СРНС). В результате этого возникает задача оценить изменение в зависимости от числа НКА в рабочем созвездии и режима работы АП СРНС параметра, характеризующего точность определения местоположения ВС (геометрического фактора). Кроме этого необходимо рассмотреть способы уменьшения числа неизвестных параметров и как следствие этого уменьшения минимального числа НКА, необходимых для решения НЗ. В АП СРНС для определения координат ВС и коррекции его шкалы времени образуется система уравнений, неизвестными которой являются три координаты и . С учетом того, что неизвестных оказывается 4-е, необходимо иметь не менее 4-х определений ПД относительно 4-х НКА. Далее данная система уравнений решается методом наименьших квадратов (МНК). Системы ГЛОНАСС и GPS используют свои собственные центры системного эталона времени и частоты, на основе данных которых происходит синхронизация всех временных процессов в рассматриваемых навигационных системах. Если навигационные параметры ВС определяются с использованием сигналов от двух СРНС, возникает проблема, связанная с различием между системными временами этих двух СРНС. Это расхождение временных шкал СРНС определяется при решении НЗ. В этом случае, решается система уравнений с 5-ю неизвестными и для ее решения, соответственно, необходимо наличие сигналов как минимум от 5-и НКА. При наличии у потребителя АП СРНС высокостабильного опорного генератора можно оценить параметр один раз и далее, приняв это значение за постоянное, работать в дальномерном режиме. Тем самым можно уменьшить минимальное число НКА необходимое для решения НЗ до 3-х. Среднеквадратическое отклонение (СКО) погрешности определения местоположения ВС можно представить как произведение двух сомножителей: СКО погрешности псевдодальномерных измерений σ и геометрического фактора, характеризующего зависимость точности навигационных определений местоположения ВС в АП СРНС от взаимного расположения ВС и НКА: (1) где – СКО погрешности псевдодальномерных измерений, а H – матрица направляющих косинусов, характеризующая взаимное расположение ВС и НКА. В табл. 1 приведены значения вертикального и горизонтального геометрического фактора в дальномерном и псевдодальномерном режимах работы АП СРНС. Как видно из табл. 1, при работе по двум СРНС значение геометрического фактора ухудшается по сравнению с работой по каждой из систем в отдельности. Дальномерный режим работы при избыточном числе НКА позволяет получить значительный выигрыш в точности определения навигационных параметров ВС. В существующей АП СРНС по завершению режима поиска сигналов видимых НКА каждому обнаруженному НКА назначается свой канал в корреляторе. На вход канала обработки поступают квадратурные компоненты сигнала, а также определенные для данного НКА значения частоты несущей и сдвига псевдослучайной последовательности (ПСП). Значения этих параметров являются грубыми. В блоке сопровождения осуществляется уточнение этих параметров сигнала и слежение за ними. В этом случае выходные данные коррелятора (квадратурные цифровые сигналы) используются для вычисления сигналов, управляющих работой этого же канала коррелятора. Благодаря этому определяются ПД и ПС только для одного канала, то есть для одного НКА. Аналогичные задачи решаются в других каналах коррелятора. Программный модуль, ответственный за определение ПД и ПС для каждого НКА, осуществляет первичную обработку. С использованием программы вторичной обработки, по ПД и ПС, вычисляются координаты, составляющие вектора скорости и временные параметры ВС. Таблица 1 – Значения геометрического фактора при псевдодальномерном режиме работы с 4-мя, 5-тью оцениваемыми навигационными параметрами, а так же при работе в дальномерном режиме (3-и оцениваемых навигационных параметра) Режим работы N*=6 N=8 N=12 HDOP VDOP HDOP VDOP HDOP VDOP Дальномерный (3 неизвестных) 1.909 1.775 1.379 1.291 1.098 1.049 Псевдодально-мерный(4 неизвестные) 2.7330 3.1070 1.9534 2.3243 1.2381 1.4857 Псевдодально-мерный (5 неизвестных) 3.1971 3.5060 2.2298 2.6284 1.3351 1.6062 * N – число НКА в рабочем созвездии. При затенении приемной антенны или при высокой маневренности ВС в 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. Уменьшение числа принимаемых НКА в АП СРНС, как видно из табл. 1, ухудшает точность определения местоположения ВС. Исходя из этого целесообразно рассмотрение метода расчета навигационных параметров ВС, при котором сигналы управления в контурах слежения за сигналами НКА связаны друг с другом через решение НЗ. Возникает задача сравнить его с классическим методом решения НЗ и оценить возможность реализации в существующей АП СРНС. На рис. 1 приведена блок-схема, поясняющая принцип работы АП СРНС с использованием обратной связи по решению НЗ. В отличие от обычной последовательности операций все пары выходов коррелятора (квадратурные цифровые сигналы) используются одновременно для вычисления навигационных параметров. Полученные координаты и составляющие вектора скорости ВС с учётом известных текущих координат НКА пересчитываются в сигналы управления каналами коррелятора. В этом случае сопровождение сигналов НКА является взаимозависимым и определяется по результатам решения НЗ. В случае, когда сигналы управления схемами слежения за сигналами НКА связаны друг с другом через решение НЗ вероятность срыва сопровождения при определенном уровне помех по одному или нескольким каналам, нарушающего правильную работу АП СРНС, как это видно из результатов моделирования заметно снижается. Поэтому данный алгоритм повышает помехоустойчивость АП СРНС, как это следует из результатов моделирования, на 7- 10 дБ. Рис. 1. Пояснение принципа работы АП СРНС с использованием обратной связи по решению НЗ Даже в случае кратковременного исчезновения сигнала НКА на высокодинамичных ВС срывов в сопровождении за ним не происходит, так как слежение в этом канале продолжается даже в отсутствие сигнала. Это позволяет работать при более низких ОСШ, чем в обычной схеме.

Похожие:

	Гоу впо «сгга» Кафедра инженерной геодезии и информационных систем утверждаю В данном курсе основное внимание уделяется практическим навыкам решения навигационных, топографических и геодезических задач с использованием...		Исследование и оптимизация алгоритмов и устройств уровневой обработки... Работа выполнена в Технологическом институте Южного федерального университета в г. Таганроге на кафедре Радиоприемных устройств и...
	Примерная программа наименование дисциплины Структуры и алгоритмы... Курс предназначен для овладения компьютерными методами обработки информации путем развития профессиональных навыков разработки, выбора...		«Экономическая кибернетика» Кибернетика наука об общих законах получения, хранения, передачи и преобразования информации в сложных управляющих системах. Экономическая...
	Урок по информатике по теме «Методика обучения сортировке одномерного массива» Образовательная: формирование у учащихся навыков составления алгоритмов сортировки массива методом прямого выбора и методом пузырька;...		Тема урока Количество часов Понятие алгоритма, свойства алгоритмов, виды алгоритмов. Представление о программе. Устройства ввода информации, устройства вывода...
	Применение пакетов прикладных программ в экономике Выпускная работа... Повсеместное распространение получили новые информационные технологии, вводящие в обиход всё новые и более эффективные методы сбора,...		Рабочая программа утверждена на заседании кафедры протокол №10 от... «Статистические методы исследования юридически значимой информации» является освоение закономерностей сбора, обработки, оценки и...
	Восстановление акустических сигналов по неравномерным выборкам При этом попытки повышения соотношения сигнал/шум на этапе вторичной обработки особенно актуальны когда электронные методы подавления...		Рабочая программа дисциплины (модуля) «Статистические методы исследования юридически значимой информации» является освоение закономерностей сбора, обработки, оценки и...
	Реферат Обработка информации в параллельных и распределенных вычислительных... Цель работы – приобретение практических навыков построения и применения алгоритмов параллельных вычислений		Рабочая программа учебной дисциплины «информационная безопасность и защита информации» «Теория и математические методы системного анализа и управления в технических и социально-экономических системах»
	Обобщающий урок по теме «Устройство компьютера» «Компьютер, как универсальное устройство обработки информации». Активные модели информации об архитектуре пк с использованием современных...		Федеральное агентство по образованию Понятие информации. Способы, методы ее сбора, хранения, обработки. Системы счисления. Единицы измерения
	Краткое содержание курса Понятие информации. Способы, методы ее сбора, хранения, обработки. Системы счисления. Единицы измерения		Структурный синтез гетерогенных подсистем обработки информации в... Работа выполнена на кафедре «Вычислительная техника» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего...